ΣΥΜΒΟΛΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΗ ΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ

Transcript

1 ΤΕΙ ΣΤΕΡΕΑΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ ΣΥΜΒΟΛΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΗ ΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΠΑΠΑΓΓΕΛΗΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ-ΙΩΑΝΝΗΣ

2 Εισαγωγή Το παρόν έγγραφο είναι ένα εγχειρίδιο για την εκμάθηση της λειτουργίας βασικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Είναι χωρισμένο σε δύο μέρη από τα οποία το πρώτο αναφέρεται σε προαπαιτούμενες βασικές γνώσεις, και το δεύτερο στις εργαστηριακές ασκήσεις. Ειδικότερα, στο πρώτο μέρος περιγράφεται το θεωρητικό υπόβαθρο για το εργαστήριο όπως τα ηλεκτρονικά στοιχεία, τα όργανα μέτρησης, οι συσκευές τροφοδοσίας, και οι γενικοί κανόνες. Στη συνέχεια, στο δεύτερο μέρος υπάρχουν τα πειράματα. Για το κάθε ένα αναγράφεται ο σκοπός, ποιες γνώσεις απαιτούνται, ποια υλικά και τα βήματα. Χωρίζονται σε 6 ομάδες: εξοικείωση με τα όργανα και την πλακέτα κυκλωμάτων, δίοδος, διπολικό τρανζίστορ, τρανζίστορ επίδρασης πεδίου, ψηφιακά κυκλώματα και τέλος τελεστικοί ενισχυτές. Γράφτηκε από τον φοιτητή Αλέξανδρο Ιωάννη Παπαγγελή για την πτυχιακή εργασία του στο, με επίβλεψη από τον καθηγητή Χαράλαμπο Λαμπρόπουλο. Για την εκπλήρωση του εγχειριδίου χρησιμοποιήθηκαν οι εργαστηριακές και θεωρητικές σημειώσεις του καθηγητή των μαθημάτων Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά και Ηλεκτρονικά Τηλεπικοινωνιών, αλλά και σχετικά βιβλία. Η πτυχιακή εργασία ξεκίνησε με την εκτέλεση των πειραμάτων σε ειδικό χώρο του ιδρύματος, έπειτα συνεχίστηκε ταυτόχρονα με την συμπλήρωση του εγγράφου αυτού μέχρι την ολοκλήρωση όλων των εργαστηριακών πειραμάτων. Κατά την επεξεργασία του εγγράφου έγιναν βελτιώσεις από τα αρχικά πειράματα του καθηγητή, όπου τελικά για την ορθότητα του εγχειριδίου τα πειράματα ξαναεκτελέστηκαν.

3 Περιεχόμενα Μέρος Πρώτο: Απαραίτητες Γνώσεις Ηλεκτρονικά Στοιχεία... Αντίσταση... Ποτενσιόμετρο... 3 Πυκνωτής... 4 Πηνίο... 5 Δίοδος... 6 Δίοδος Zener... 7 Δίοδος εκπομπής φωτός... 8 Διπολικό τρανζίστορ... 8 Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου... Ψηφιακά κυκλώματα... 4 Τελεστικός ενισχυτής... 5 Όργανα Εργαστηρίου Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων Πολύμετρο... 2 Τροφοδοτικό Γεννήτρια Συχνοτήτων Παλμογράφος Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Ασφάλεια εργαστηρίου Διαδικασία κατασκευής κυκλωμάτων Αποσφαλμάτωση κυκλωμάτων Συνολικά Υλικά... 35

4 Περιεχόμενα Μέρος Δεύτερο: Λίστα Πειραμάτων Πείραμα º - Eξοικείωση με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων I... Πείραμα 2º - Eξοικείωση με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων II...3 Πείραμα 3º Δίοδος I... 6 Πείραμα 4º Δίοδος II... 0 Πείραμα 5º Δίοδος III... 3 Πείραμα 6º Δίοδος IV... 7 Πείραμα 7º Διπολικό τρανζίστορ I... 9 Πείραμα 8º Διπολικό τρανζίστορ II... 2 Πείραμα 9º Διπολικό τρανζίστορ III Πείραμα 0º Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου I Πείραμα º Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου II Πείραμα 2º Λογικά κυκλώματα I Πείραμα 3º Λογικά κυκλώματα II Πείραμα 4º Τελεστικοί Ενισχυτές I Πείραμα 5º Τελεστικοί Ενισχυτές II Πείραμα 6º Τελεστικοί Ενισχυτές III Πείραμα 7º Τελεστικοί Ενισχυτές IV Πείραμα 8º Απόκριση Συχνότητας... 5 Πείραμα 9º Τελεστικοί Ενισχυτές V Πείραμα 20º Τελεστικοί Ενισχυτές VI... 6 Πείραμα 2º Τελεστικοί Ενισχυτές VII... 64

5 Μέρος Πρώτο: Απαραίτητες Γνώσεις Ηλεκτρονικά Στοιχεία Αντίσταση Η αντίσταση είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο με δύο ακροδέκτες, το οποίο καταναλίσκει συνεχώς ενέργεια υπό την μορφή θερμότητας και η τιμή του εκφράζει την δυσκολία του ηλεκτρικού ρεύματος να περάσει από έναν αγωγό. Η τιμή αυτή υπολογίζεται με τον νόμο του Ohm και εξαρτάται από το υλικό, την θερμοκρασία και τις διαστάσεις του. Ο νόμος του Ohm λέει ότι η διαφορά δυναμικού στα άκρα της αντίστασης είναι ανάλογη με το ρεύμα που την διαρρέει, δηλαδή ισχύει ο τύπος: V R =R I όπου VR η διαφορά δυναμικού σε Volt (V), R η αντίσταση σε Ohm (Ω) και Ι το ρεύμα σε Ampere (A). Όταν πολλές αντιστάσεις είναι συνδεδεμένες σε σειρά τότε τις διαρρέει το ίδιο ηλεκτρικό ρεύμα και ισχύει ο τύπος: Rολ =R+ R R n. Όταν πολλές αντιστάσεις είναι συνδεδεμένες παράλληλα έχουν ίση διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα άκρα τους και ισχύει: / Rολ =/R + /R /R n Μπορεί να σχεδιαστεί κύκλωμα ως διαιρέτης τάσης όταν δύο ή περισσότερες αντιστάσεις είναι σε σειρά, και ως διαιρέτης ρεύματος όταν δύο ή περισσότερες αντιστάσεις είναι παράλληλες. Αυτά υποδιαιρούν την τάση εισόδου ή το ρεύμα ανάλογα την τιμή των αντιστάσεων με τους γενικούς τύπους να είναι αντίστοιχα: V R I R V n= in n και I n= in ολ Rολ Rn

6 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Δύο συνηθισμένοι όροι στα ηλεκτρονικά είναι το βραχυκύκλωμα και το ανοικτοκύκλωμα. Βραχυκύκλωμα έχουμε όταν δύο σημεία είναι ενωμένα, ή μεταξύ τους υπάρχει σχεδόν μηδενική αντίσταση. Ανοικτοκύκλωμα έχουμε όταν δύο σημεία δεν είναι ενωμένα, ή μεταξύ τους υπάρχει θεωρητικά άπειρη αντίσταση. Με βάση τα θεωρήματα Thevenin και Norton ένα κύκλωμα μπορεί να απλοποιηθεί σε ένα άλλο ισοδύναμο. Για το κύκλωμα Thevenin πρέπει να βρεθεί το VΤΗ και το ZΤΗ. Το VΤΗ είναι η τάση που προκύπτει ανάμεσα στους ακροδέκτες εξόδου του αρχικού κυκλώματος. Το ZΤΗ είναι η σύνθετη αντίσταση που προκύπτει ανάμεσα στους ακροδέκτες εξόδου όταν βραχυκυκλωθούν οι πηγές τάσης και ανοικτοκυκλωθούν οι πηγές ρεύματος του αρχικού κυκλώματος. Για το κύκλωμα Norton πρέπει να βρεθεί το ΙΝ και το ZN. Το ΙΝ είναι το ρεύμα που προκύπτει ανάμεσα στους ακροδέκτες εξόδου του αρχικού κυκλώματος όταν βραχυκυκλωθούν. Το ZN βρίσκεται όπως και το ZΤΗ. Η εύρεση της τιμής της αντίστασης μπορεί να γίνει με τους ακόλουθους τρόπους:. Με την χρήση ενός πολυμέτρου (αναφέρεται σε επόμενο κεφάλαιο) στα άκρα της αντίστασης. 2. Διαβάζοντας την αναγραφόμενη (ονομαστική) τιμή επάνω στην αντίσταση. Η ονομαστική τιμή μπορεί να δίνεται με διάφορους τρόπους όπως: 2

7 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Χρωματιστές λωρίδες που αντιπροσωπεύουν αριθμούς. Η πιο συνηθισμένη μορφή είναι αυτή με τέσσερις λωρίδες με την η και 2η να είναι τα δύο ψηφία, την 3η ένας πολλαπλασιαστής (δύναμη του 0) και την 4η η ανοχή. Συγκεκριμένα υπολογίζεται όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Αριθμητικές, στην πιο συνηθισμένη μορφή να είναι με τρεις αριθμούς, όπου ο ος και ο 2ος είναι τα δύο ψηφία και ο 3ος ένας πολλαπλασιαστής. Στην μορφή με τέσσερις αριθμούς έχει τρία ψηφία και έναν πολλαπλασιαστή. Για αντιστάσεις μικρότερες των 0Ω το γράμμα 'R' υποδεικνύει την υποδιαστολή. Χρώμα Μαύρο Καφέ Κόκκινο Πορτοκαλί Κίτρινο Πράσινο Μπλε Μοβ Γκρι Άσπρο Αριθμός Στα πειράματα χρησιμοποιούνται αντιστάσεις για τις οποίες η μέγιστη ισχύς που μπορεί να καταναλωθεί επάνω τους είναι 0.5W ή 0.25W. Αν ξεπεραστούν αυτές οι τιμές, η αντίσταση υπερθερμαίνεται και χαλάει. Για την εύρεση της μέσης ισχύος που θα καταναλωθεί, χρησιμοποιείται ο τύπος: P=V R I ή P=V 2R /R ή P=I 2 R όπου P η ισχύς σε Watt (W). Ποτενσιόμετρο Το ποτενσιόμετρο είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο με τρεις ακροδέκτες. Ανάμεσα στα δύο άκρα του η συνολική αντίσταση είναι σταθερή, ενώ ο μεσαίος ακροδέκτης είναι ένα κοινό σημείο που την διαχωρίζει σε δύο τμήματα. Με κατάλληλη συνδεσμολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μεταβλητή αντίσταση ή μεταβλητός διαιρέτης τάσης. 3

8 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Πάνω του έχει μία περιστρεφόμενη βίδα συνδεδεμένη στο κοινό σημείο. Γυρίζοντας την βίδα μεταβάλλονται οι τιμές των αντιστάσεων ανάμεσα στο κοινό σημείο και στους δύο άλλους ακροδέκτες, αλλά το άθροισμά τους παραμένει σταθερό. Όταν το ποτενσιόμετρο είναι συνδεδεμένο σε όλους τους ακροδέκτες του τότε λειτουργεί ως διαιρέτης τάσης, όταν είναι συνδεδεμένο σε ένα άκρο του και στον μεσαίο ακροδέκτη τότε λειτουργεί ως μεταβλητή αντίσταση. Η εύρεση της τιμής της αντίστασης του ποτενσιομέτρου μπορεί να γίνει με τους ίδιους τρόπους όπως αναφέρθηκε στην αντίσταση. Πυκνωτής Ο πυκνωτής είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο με δύο ακροδέκτες που στο εσωτερικό του μπορεί να αποθηκεύσει ηλεκτρικό φορτίο, άρα ηλεκτρική ενέργεια, όταν τεθεί υπό τάση. Αποτελείται από δύο παράλληλους αγωγούς (οπλισμούς) στους οποίους ανάμεσά τους παρεμβάλλεται μονωτικό υλικό. Υπάρχουν διάφοροι τύποι πυκνωτών. Οι πιο κοινοί είναι οι κεραμικοί και οι ηλεκτρολυτικοί από αλουμίνιο ή από ταντάλιο. Οι ηλεκτρολυτικοί έχουν πολικότητα, οπότε πρέπει να τοποθετηθούν σωστά αλλιώς δεν θα λειτουργούν ή θα χαλάσουν. Πιο συγκεκριμένα, πάνω σε αυτούς τους πυκνωτές αναγράφεται ποιος είναι ο θετικός ή ο αρνητικός ακροδέκτης, επομένως προς την πιο θετική τάση τοποθετείται ο θετικός ακροδέκτης τους και προς την πιο αρνητική τάση τοποθετείται ο αρνητικός ακροδέκτης. Το σημαντικό χαρακτηριστικό του πυκνωτή είναι η χωρητικότητα του, που συμβολίζεται με C. Αυτή εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του πυκνωτή και από την φύση του διηλεκτρικού ανάμεσα στους οπλισμούς του. Η τιμή της χαρακτηρίζει την ικανότητα αποθήκευσης φορτίου και εκφράζεται σε Farads (F). Ο πυκνωτής παρουσιάζει σύνθετη αντίσταση (εμπέδηση) που ισούται με Z c = j X c = όπου X c = και f είναι η συχνότητα του σήματος. Επομένως, ανάλογα ω C 2 π f C με το γινόμενο f C αλλάζει η σύνθετη αντίσταση του στοιχείου: Όταν ο παρανομαστής τείνει στο 0 τότε η αντίσταση του πυκνωτή τείνει στο άπειρο. Όταν ο παρανομαστής τείνει στο άπειρο τότε η αντίσταση του πυκνωτή τείνει στο 0. 4

9 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Στα πειράματα όπου γίνεται χρήση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (τσιπ) χρησιμοποιείται εξωτερικά ένας πυκνωτής, όπου τοποθετείται ανάμεσα σε κάθε ακροδέκτη παροχής τροφοδοσίας τους και στην γείωση του κυκλώματος. Αυτό γίνεται για να προστατευτεί η έξοδος του τσιπ από τον πιθανό θόρυβο του τροφοδοτικού. Οι πυκνωτές που συνδέονται για τον σκοπό αυτό λέγονται πυκνωτές αποσύζευξης. Η εύρεση της τιμής της χωρητικότητας μπορεί να γίνει με τους ακόλουθους τρόπους:. Από αριθμητικές ενδείξεις πάνω του, είτε με την μορφή τριών αριθμών που υπολογίζεται όπως στην αντίσταση αλλά εκφράζεται σε picofarads (pf = 0-2F), είτε απευθείας η τιμή. 2. Με την χρήση ενός οργάνου μέτρησης χωρητικότητας. Ορίζεται μία μέγιστη επιτρεπτή τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του πυκνωτή από τον κατασκευαστή. Αν ξεπεραστεί, το μονωτικό υλικό καταστρέφεται και δημιουργούνται σπινθήρες μεταξύ των οπλισμών, όπου τελικά χαλάει ο πυκνωτής. Πηνίο Το πηνίο είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο το οποίο αποτελείται από περιελιγμένο σύρμα που καταλήγει σε δύο ακροδέκτες, το εσωτερικό του μπορεί να είναι κενό ή να περιέχει σιδηρομαγνητικό υλικό. Έχει την ιδιότητα να αποθηκεύει μαγνητική ενέργεια δια μέσου της μαγνητικής ροής που αναπτύσσεται στο τύλιγμα του. Η μαγνητική ροή δημιουργείται όταν το πηνίο διαρρέεται είτε από ηλεκτρικό ρεύμα είτε από εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Χαρακτηριστικό μέγεθος του πηνίου είναι ο συντελεστής αυτεπαγωγής που συμβολίζεται με L και μετριέται σε Henry (H). Εξαρτάται από την επιφάνεια που αποκόπτει ο αγωγός και τις μαγνητικές ιδιότητες του μέσου το οποίο βρίσκεται μέσα σε αυτή την επιφάνεια. Η τιμή του χαρακτηρίζει την ικανότητα του στοιχείου για αποθήκευση μαγνητικής ενέργειας. Το πηνίο παρουσιάζει σύνθετη αντίσταση (εμπέδηση) που ισούται με Z L=+ j X L όπου X L= ω L= 2 π f L και f είναι η συχνότητα του σήματος. Επομένως, ανάλογα με το γινόμενο f L αλλάζει η σύνθετη αντίσταση του στοιχείου: Όταν το γινόμενο f L τείνει στο 0 τότε η αντίσταση του πηνίου τείνει στο 0. 5

10 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Όταν το γινόμενο f L τείνει στο άπειρο τότε η αντίσταση του πηνίου τείνει στο άπειρο. Η εύρεση της τιμής του συντελεστή αυτεπαγωγής μπορεί να γίνει με τους ακόλουθους τρόπους:. Με τον χρωματικό κώδικα που είναι ίδιος με αυτόν της αντίστασης αλλά εκφράζεται σε microhenries (μh). 2. Με την χρήση ενός οργάνου μέτρησης εμπέδησης. Το πηνίο με βάση την ιδιαίτερη λειτουργία του χρησιμοποιείται στις ηλεκτρικές μηχανές, στους μετασχηματιστές, σε ρελέ, σε φίλτρα και σε ταλαντωτές. Δίοδος Η δίοδος είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο με δύο ακροδέκτες που επιτρέπει κυρίως την ροή του ηλεκτρικού ρεύματος προς μία κατεύθυνση, παρουσιάζει πολύ μικρή αντίσταση ρεύματος προς μία ροή ρεύματος και υψηλή αντίσταση προς την αντίθετη. Αποτελείται από έναν ημιαγωγό τύπου p σε επαφή με έναν ημιαγωγό τύπου n. Ο ακροδέκτης που συνδέεται στον ημιαγωγό τύπου p λέγεται άνοδος και αυτός που συνδέεται στον ημιαγωγό τύπου n λέγεται κάθοδος. Ένας ημιαγωγός p έχει λιγότερα κινούμενα ελεύθερα ηλεκτρόνια από τα κινούμενα θετικά του φορτία (τις οπές). Αντίθετα ένας ημιαγωγός n έχει περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Όταν τα δυο είδη ημιαγωγών έρθουν σε επαφή δημιουργούν μεταξύ τους μία περιοχή απογύμνωσης από κινούμενα φορτία. Ανάλογα με την εξωτερική τάση στην δίοδο, αυτή η περιοχή μικραίνει ή μεγαλώνει. Όταν μικραίνει ευνοείται η κίνηση των ηλεκτρονίων και των οπών και άρα η ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος. 6

11 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Η εξωτερική τάση στη δίοδο δημιουργεί δύο περιοχές λειτουργίας, την ορθή και την ανάστροφη πόλωση: Όταν η τάση του κυκλώματος στην άνοδο είναι μεγαλύτερη από την κάθοδο λέγεται ότι η δίοδος είναι ορθά πολωμένη και αφήνει το ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει. Στην αντίθετη περίπτωση που η τάση της ανόδου είναι μικρότερη από την κάθοδο λέγεται ότι η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη και αποκόπτει το περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα. Ενδεικτικά κυκλώματα στα οποία η δίοδος βρίσκει εφαρμογή είναι: ο περιοριστής, ο ημιανορθωτής και ο πλήρης ανορθωτής. Οι περιοριστές είναι κυκλώματα που μειώνουν την τάση εξόδου, ενώ οι ανορθωτές είναι κυκλώματα που μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή. Η δίοδος στην ορθή πόλωση μπορεί να καταστραφεί αν το ηλεκτρικό ρεύμα Ι D που την διαρρέει ξεπεράσει μία μέγιστη τιμή (πχ. για την Ν448 Ι D= 200mA). Στην ανάστροφα πολωμένη περιοχή, η δίοδος καταστρέφεται αν ξεπεραστεί μία μέγιστη τάση (πχ. για την Ν448 VD= -00 Volt). Αυτές οι τιμές ορίζονται από τον κατασκευαστή της κάθε διόδου. Δίοδος Zener Η δίοδος Zener (ή δίοδος κατάρρευσης) είναι μία δίοδος η οποία μπορεί να λειτουργήσει στην περιοχή κατάρρευσης της διόδου. Χρησιμοποιείται κυρίως ως σταθεροποιητής (ή ρυθμιστής) τάσης. 7

12 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Κατά την λειτουργία της στην περιοχή κατάρρευσης η τάση VZ της διόδου παραμένει σχεδόν σταθερή παρά την αύξηση της τάσης τροφοδοσίας ή του ηλεκτρικού ρεύματος που την διαρρέει. Η τιμή της τάσης VZ καθορίζεται από τις προδιαγραφές της διόδου. Η δίοδος Zener καταστρέφεται κατά την ορθή ή ανάστροφη πόλωση, αν το ρεύμα ξεπεράσει μία καθορισμένη τιμή Imax που ορίζεται από τον κατασκευαστή. Δίοδος εκπομπής φωτός Η δίοδος εκπομπής φωτός (LED) είναι μία πηγή φωτός με δύο ακροδέκτες. Αποτελείται από μία δίοδο η οποία είναι κατασκευασμένη από υλικό ημιαγωγών ειδικό για να εκπέμπει ακτινοβολία όταν να είναι πολωμένη ορθά. Διπολικό τρανζίστορ Το διπολικό τρανζίστορ είναι ένα ηλεκτρονικό στοιχείο κατασκευασμένο από υλικό ημιαγωγών το οποίο έχει τρεις ακροδέκτες που ονομάζονται βάση (B), εκπομπός (E) και συλλέκτης (C). Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στη χρήση της τάσης μεταξύ δύο ακροδεκτών για τον έλεγχο του ρεύματος στον τρίτο ακροδέκτη. 8

13 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Αποτελείται από δύο ενώσεις p-n με μία κοινή περιοχή στην βάση, δηλαδή σαν δύο δίοδοι ενωμένοι. Υπάρχουν δύο είδη, τα n-p-n και p-n-p τρανζίστορ. Όμως οι δύο δίοδοι είναι πολύ διαφορετικές μεταξύ τους. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται από τον εκπομπό στον συλλέκτη (η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος είναι αντίθετη) στην κανονική λειτουργία του, δηλαδή μέσα από μία ορθή αλλά και μία ανάστροφα πολωμένη δίοδο. Αυτό γίνεται γιατί: Πρώτον, ο εκπομπός έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση ηλεκτρονίων από την βάση και ακόμα μεγαλύτερη από τον συλλέκτη. Δεύτερον, η επιφάνεια επαφής ανάμεσα στην βάση και τον συλλέκτη είναι μεγαλύτερη από την επιφάνεια επαφής ανάμεσα στην βάση και τον εκπομπό. Υπάρχουν τρεις περιοχές λειτουργίας που εξαρτιούνται από τις τάσεις μεταξύ βάσης εκπομπού και βάσης συλλέκτη (αναφέρονται σε παρακάτω πίνακα):. Στην ενεργός περιοχή το τρανζίστορ άγει. Το ρεύμα συλλέκτη - εκπομπού είναι ανάλογο με το ρεύμα της βάσης αλλά αρκετές φορές μεγαλύτερο, έτσι λειτουργεί ως ενισχυτής. 2. Στην περιοχή κορεσμού το τρανζίστορ άγει. Το ρεύμα συλλέκτη - εκπομπού είναι ανάλογο με την τάση συλλέκτη εκπομπού, όπου μπορεί να λειτουργήσει ως κλειστός διακόπτης. 3. Στην περιοχή αποκοπής το τρανζίστορ δεν άγει. Δεν διαρρέεται ρεύμα και έτσι μπορεί να λειτουργήσει ως ανοικτός διακόπτης. 9

14 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Οι καταστάσεις των διόδων ανάλογα την περιοχή λειτουργίας: Δίοδος Βάσης Εκπομπού Δίοδος Βάσης Συλλέκτη Περιοχή λειτουργίας Ορθά πολωμένη Ανάστροφα πολωμένη Ενεργός Ορθά πολωμένη Ορθά πολωμένη Κορεσμού Ανάστροφα πολωμένη Ανάστροφα πολωμένη Αποκοπής Οι τάσεις λειτουργίας των n-p-n και p-n-p: Για n-p-n Για p-n-p Περιοχή λειτουργίας VE < VB < VC VE > VB > VC Ενεργός VE < VB > VC VE > VB < VC Κορεσμού VE > VB < VC VE < VB > VC Αποκοπής Η λειτουργία του τρανζίστορ στην ενεργό περιοχή αναλύεται με την βοήθεια του παρακάτω απλού μοντέλου. Εφαρμόζονται οι τάσεις λειτουργίας του προηγούμενου πίνακα για την ενεργό περιοχή. Στην δίοδο βάσης - εκπομπού η πτώση τάσης είναι περίπου V (για διόδους πυριτίου) επειδή αυτή είναι ορθά πολωμένη. Ισχύει η εξίσωση i C = β i B () όπου τα ic και ib είναι τα ρεύματα στον συλλέκτη και στην βάση αντίστοιχα, το β λέγεται το dc κέρδος κοινού εκπομπού και είναι πολύ ευαίσθητο στην θερμοκρασία, την τάση VCE, αλλά μπορεί να διαφέρει και σε ίδια τρανζίστορ στις ίδιες συνθήκες. Επίσης, ισχύει η εξίσωση i E = i C + i B (2) όπου το ie είναι το ρεύμα στον εκπομπό. β i = a i E όπου β+ E το α είναι ένας πολύ σταθερός συντελεστής και περίπου ίσος με την μονάδα, άρα έχουμε: i C i E Από τις () και (2) εξισώσεις συμπεραίνουμε ότι ισχύει i C = 0

15 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Οι κύριες λειτουργίες του τρανζίστορ που θα γίνουν εργαστηριακά είναι ως πηγή ρεύματος και ως ενισχυτής: Μία πηγή ρεύματος είναι ένα κύκλωμα στο οποίο το ρεύμα δεν εξαρτάται από την τάση στα άκρα του. Διακρίνεται σε δύο κατηγορίες την πηγή (δίνει ρεύμα) και την καταβόθρα (παίρνει ρεύμα). Για να λειτουργεί το τρανζίστορ ως πηγή ρεύματος, πρέπει να βρίσκεται στην ενεργό περιοχή που το ρεύμα συλλέκτη είναι περίπου ίσο με το ρεύμα του εκπομπού, επομένως επιλέγοντας μία αντίσταση στον εκπομπό θα παράγεται το επιθυμητό ρεύμα στον συλλέκτη. Το τρανζίστορ ως ενισχυτής, θα έχει την μεταβαλλόμενη τάση στην έξοδό του αυξημένη σε σχέση με την μεταβαλλόμενη τάση στην είσοδό του ανάλογα με τις Δ V out R = C αντιστάσεις στον συλλέκτη και τον εκπομπό με βάση τον τύπο: Δ V in RE Η ισχύς που καταναλώνεται στο τρανζίστορ υπολογίζεται από την τάση μεταξύ συλλέκτη και εκπομπού και του ρεύματος IE. Από τον κατασκευαστή ορίζεται μία μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή της ισχύος όπου το τρανζίστορ καταστρέφεται, όταν αυτή ξεπεραστεί. Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου Το τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (MOSFET ή FET) είναι ένας τύπος τρανζίστορ κατασκευασμένο από μέταλλο, μονωτικό υλικό και ημιαγωγούς. Έχει τέσσερις ακροδέκτες την πύλη (G), την εκροή ή υποδοχή (D), την πηγή (S) και το υπόστρωμα ή σώμα (B). Εάν ένα MOS τρανζίστορ έχει τρεις ακροδέκτες, το υπόστρωμα συνδέεται εσωτερικά μαζί με την πηγή. Η διαφορετική κατασκευή του από το διπολικό τρανζίστορ το καθιστά πολύ καλύτερο διακόπτη, γιατί για να περάσει ρεύμα ανάμεσα στην υποδοχή (D) και την πηγή (S) δεν χρειάζεται να δοθεί ρεύμα στην πύλη (G). Επιπλέον, τα MOS τρανζίστορ μπορούν να γίνουν πάρα πολύ μικρά και η διαδικασία κατασκευής τους είναι απλούστερη. Ωστόσο, το διπολικό τρανζίστορ είναι πιο δυνατός ενισχυτής.

16 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Υπάρχουν δύο είδη που ονομάζονται NMOS και PMOS. Στα NMOS η πηγή και η εκροή είναι ημιαγωγοί τύπου n+ και το υπόστρωμα ημιαγωγός τύπου p. Ενώ στα PMOS η πηγή και η εκροή είναι ημιαγωγοί τύπου p+ και το υπόστρωμα ημιαγωγός τύπου n. Η υλοποίηση NMOS και PMOS στο ίδιο δισκίδιο πυριτίου λέγεται CMOS τεχνολογία (Complementary MOS). Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιείται ευρέως για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Το MOSFET μπορεί να άγει όταν το ηλεκτρικό πεδίο που αναπτύσσεται ανάμεσα στην πύλη και το υπόστρωμα δημιουργεί ένα κανάλι με ελεύθερα κινούμενα φορτία ανάμεσα στην εκροή και την πηγή, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Για να γίνει αυτό, η τάση VGB ανάμεσα στην πύλη (G) και το υπόστρωμα (Β) πρέπει να είναι πιο θετική για το NMOS (ή πιο αρνητική για PMOS) από μία τάση που λέγεται τάση κατωφλίου VT. Αυτή προσδιορίζεται από την κατασκευή του τρανζίστορ. Όσο πιο θετική είναι η τάση στην πύλη για το NMOS (ή πιο αρνητική για το PMOS), τόσο πιο πολλά ελεύθερα κινούμενα φορτία έχει το κανάλι, με αποτέλεσμα να επιτρέπει περισσότερη ροή ρεύματος. Όταν το κανάλι έχει δημιουργηθεί και εφαρμόζεται τάση ανάμεσα στους ακροδέκτες D και S, υπάρχει διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του καναλιού. 2

17 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Διακρίνονται τρεις περιοχές λειτουργίας που εξαρτιούνται από τις τάσεις μεταξύ των ακροδεκτών του, όπως αναφέρεται στον παρακάτω πίνακα. Στην περιοχή κορεσμού το τρανζίστορ άγει. Το ρεύμα πηγής-εκροής είναι σχεδόν ανεξάρτητο από την τάση πηγής-εκροής και εξαρτάται από την τάση της πύληςυποστρώματος. Σε αυτή την περιοχή μπορεί να λειτουργήσει ως ενισχυτής. Στην περιοχή τριόδου το τρανζίστορ άγει και συμπεριφέρεται σαν μία μικρή αντίσταση, τις οποίας η τιμή εξαρτάται από την τάση της πύλης-υποστρώματος. Το ρεύμα πηγής-εκροής είναι ανάλογο με την τάση πηγής-εκροής. Εδώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κλειστός διακόπτης. Στην περιοχή αποκοπής το τρανζίστορ δεν άγει. Δεν διαρρέεται από ρεύμα, οπότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ανοικτός διακόπτης. Οι τάσεις λειτουργίας των NMOS και PMOS (για MOS τρανζίστορ με τρεις ακροδέκτες): NMOS PMOS Περιοχή λειτουργίας VGS < VT VSG < VT Αποκοπής VGS > VT VDS < VGS - VT VSG > VT VSD < VSG - VT Τριόδου VGS > VT VDS > VGS - VT VSG > VT VSD > VSG - VT Κορεσμού Στα πειράματα θα χρησιμοποιηθεί το MOS τρανζίστορ ως ηλεκτρονικός διακόπτης. Για να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιούνται δύο περιοχές λειτουργίας, η τριόδου και η αποκοπής. Στη τρίοδο περιοχή ο διακόπτης είναι κλειστός (κατάσταση ON), στη περιοχή αποκοπής ο διακόπτης είναι ανοιχτός (κατάσταση OFF). Επιπλέον, για το διπολικό τρανζίστορ αυτό γίνεται στις περιοχές κορεσμού και αποκοπής. 3

18 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Για να μη καταστραφεί ένα MOSFET πρέπει να τηρούνται δύο προφυλάξεις: Πρώτον, η παρουσία μεγάλης τάσης ανάμεσα στην πύλη του τρανζίστορ και στο υπόστρωμα μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την καταστροφή του μονωτικού υλικού που υπάρχει ανάμεσά τους. Επομένως, ένας άνθρωπος μπορεί απλώς αγγίζοντας την πύλη του τρανζίστορ να το καταστρέψει λόγω του στατικού ηλεκτρικού φορτίου που μπορεί να έχει αναπτυχθεί στο σώμα του ανθρώπου. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος ανατρέξτε στην ενότητα Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου. Δεύτερον, η ισχύς που μπορεί να καταναλώσει ανάμεσα στην πηγή και την εκροή όταν αυτό άγει, θα πρέπει να βρίσκεται στα όρια που ορίζει ο κατασκευαστής. Με άλλα λόγια, η τάση και το ρεύμα ανάμεσα στην πηγή και εκροή δεν πρέπει να ξεπεράσουν τις μέγιστες τιμές. Ψηφιακά κυκλώματα Τα ψηφιακά κυκλώματα είναι λογικές πύλες με εισόδους και εξόδους τις καταστάσεις 0 και. Αναφορικά, οι λογικές πύλες είναι οι AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR και XNOR. Αυτές που πρέπει να γνωρίζονται για την εκπλήρωση των πειραμάτων είναι οι AND, NOT και NAND. Επίσης οι δύο καταστάσεις, αντιστοιχούν σε δύο διαφορετικές τάσεις που δέχονται τα κυκλώματα. Μία αντιστοιχεί στο λογικό 0 (πχ. 0V) και μία αντιστοιχεί στο λογικό (πχ. 3V). AND NOT ΝAND Είσοδος Είσοδος Έξοδος Α Β Y Είσοδος Έξοδος Α Y Είσοδος Είσοδος Έξοδος Α Β Y Τα ηλεκτρονικά στοιχεία που υλοποιούν τις λογικές πύλες αποτελούνται από ηλεκτρονικούς διακόπτες, δηλαδή τρανζίστορ μέσα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα (ή τσιπ). Η κατασκευή τους στα εργαστηριακά πειράματα πραγματοποιούνται από τρία διαφορετικά τσιπ με 4 ακροδέκτες, αυτά είναι κατασκευασμένα με τεχνολογία CMOS. Το εσωτερικό κύκλωμα τους παρουσιάζεται στα συγκεκριμένα πειράματα, ενώ λεπτομέρειες για το CMOS αναφέρονται στην ενότητα του Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου. 4

19 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Επειδή τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι υλοποιημένα κυρίως από MOS τρανζίστορ, είναι ευαίσθητα στον στατικό ηλεκτρισμό και πρέπει να υπάρχει προσοχή κατά την επαφή τους. Τελεστικός ενισχυτής Ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που αποτελείται από πολλά τρανζίστορ, πυκνωτές και αντιστάσεις μέσα σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (ή τσιπ), Ένα κύριο χαρακτηριστικό είναι ότι η συμπεριφορά του πραγματικού τελεστικού ενισχυτή πλησιάζει πολύ την συμπεριφορά του ιδανικού τελεστικού ενισχυτή. Στα πειράματα χρησιμοποιείται ο τελεστικός ενισχυτής LF4. Έχει 8 ακροδέκτες αλλά θα συνδέονται οι 5 και εξηγούνται στη συνέχεια. Ο ακροδέκτης 2 είναι η αναστρέφουσα είσοδος (V-). Ο ακροδέκτης 3 είναι η μη αναστρέφουσα είσοδος (V+). Ο ακροδέκτης 4 είναι η παροχή αρνητικής τάσης τροφοδοσίας (-VCC). Ο ακροδέκτης 6 είναι η έξοδος (VOUT). Ο ακροδέκτης 7 είναι η παροχή θετικής τάσης τροφοδοσίας (VCC). Αρχικά δυο έννοιες που πρέπει να εξηγηθούν είναι ο ανοικτός και ο κλειστός βρόγχος σε ένα κύκλωμα. Ανοιχτό βρόγχο έχουμε όταν η είσοδος ενός κυκλώματος δεν είναι συνδεδεμένη με την έξοδο του. Αντίθετα, κλειστό βρόγχο έχουμε όταν η είσοδος ενός κυκλώματος είναι συνδεδεμένη με την έξοδο του (καλείται και ανάδραση). Η αρχική ανάλυση ενός κυκλώματος με τελεστικούς ενισχυτές γίνεται χρησιμοποιώντας ιδανικά στοιχεία. Η λειτουργία του κυκλώματος μπορεί έτσι να εξηγηθεί εύκολα και σε μεγάλη αντιστοιχία με την πραγματικότητα. Επίσης, τα χαρακτηριστικά του ιδανικού μοντέλου είναι τα εξής: 5

20 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Το κέρδος Α του ιδανικού τελεστικού ενισχυτή δίνεται από τον τύπο V out = A (V + V ), όπου το Α τείνει στο άπειρο. Η αντίσταση εισόδου είναι άπειρη, δηλαδή οι είσοδοι του δεν τραβάνε ούτε αποδίδουν ρεύμα, i+ = i =0 Η αντίσταση εξόδου είναι μηδέν. Στην αρνητική ανάδραση (αναφέρεται στη συνέχεια) η έξοδος του κάνει ότι μπορεί έτσι ώστε η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στις εισόδους του είναι μηδενική. Δηλαδή, ΔV in =0 V + V =0 V + = V Θα μελετηθούν πειραματικά οι συνδεσμολογίες για το κέρδος του ανοικτού και κλειστού βρόγχου, τον απομονωτή, τον αθροιστή με βάρη, την εξάρτηση του κέρδους από την συχνότητα, τον ολοκληρωτή και τέλος την τάση εκτροπής εισόδου. Αυτές αναλύονται παρακάτω. Η σύνδεση ανοικτού βρόγχου του τελεστικού ενισχυτή σχεδιάζεται με την έξοδό του να μην είναι συνδεδεμένη με κάποια από τις εισόδους του. Για να υπολογιστεί θεωρητικά η τάση εξόδου χρησιμοποιείται ο τύπος: V out = A (V + V ) όπου το A είναι ο συντελεστής κέρδους (για τον LF4 το A= ). Με βάση το πολύ μεγάλο κέρδος, η τάση εξόδου βρίσκεται στην μέγιστη τιμή της (στον LF4 είναι περίπου 3.5V) εκτός εάν η διαφορά των δύο εισόδων είναι σχεδόν μηδενική, μικρότερη από 75μV για το παράδειγμα της εικόνας. Επομένως, ο τελεστικός ενισχυτής δεν χρησιμοποιείται χωρίς ανάδραση. Η σύνδεση του κλειστού βρόγχου με αρνητική ανάδραση γίνεται με την ένωση της εξόδου στην αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού ενισχυτή. Υπάρχουν δύο διαφορετικά κυκλώματα για να υπολογιστεί θεωρητικά το κέρδος. Ωστόσο, στην πραγματικότητα το κέρδος αρχίζει να χάνεται όταν η τάση εξόδου βρίσκεται στην μέγιστη τιμή ενώ αυξάνεται η τάση εισόδου. Στο κύκλωμα όπου τροφοδοτείται η τάση εισόδου στην είσοδο V- ισχύει ο τύπος: 6

21 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία V out R = f και λέγεται αναστρέφουσα συνδεσμολογία (inverting amplifier). V in R in Στο κύκλωμα όπου τροφοδοτείται η τάση εισόδου στην είσοδο V+ ισχύει ο τύπος: V out R = ( + f ) και λέγεται μη αναστρέφουσα συνδεσμολογία (non inverting V in R in amplifier). Ο απομονωτής (Buffer amplifier) είναι ένα κύκλωμα που αφαιρεί την πτώση τάσης όταν συνδέεται ανάμεσα σε μία πηγή με υψηλή εμπέδηση, με ένα φορτίο με χαμηλή εμπέδηση. Χωρίς τον απομονωτή, η σύνδεση της πηγής απευθείας στο φορτίο έχει ως αποτέλεσμα σημαντική εξασθένηση του αρχικού σήματος. Ο τελεστικός ενισχυτής βρίσκεται σε μη αναστρέφουσα συνδεσμολογία όπου ισχύει: V out = V in Ο αθροιστής με βάρη (Summing amplifier) προσθέτει προσαρμοσμένες τάσεις από την είσοδό του και αντιστρέφει το σύνολο. Είναι σε αναστρέφουσα συνδεσμολογία όπου Rf Rf Rf ισχύει: V out = ( V + V V n) R R2 Rn Όταν R = R 2 = Rn R f τότε V out = Rf (V +V 2 + +V n ) R Όταν R = R 2 = Rn = R f τότε V out = (V +V 2 + +V n ) 7

22 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Το κέρδος του πραγματικού τελεστικού ενισχυτή εξαρτάται από την συχνότητα του σήματος στην είσοδό του. Λόγω της εσωτερικής κατασκευής του το κέρδος μειώνεται όταν αυξάνεται η κυκλική συχνότητα. Όμως η αρνητική ανάδραση καταφέρνει τα εξής: Μειώνει το πολύ μεγάλο κέρδος (ιδανικά άπειρο) που έχει ο τελεστικός ενισχυτής χωρίς ανάδραση. Εξασφαλίζει ότι το κέρδος αυτό θα παραμείνει σταθερό μέχρι μια μεγάλη συχνότητα. Όσες φορές μειώνεται το κέρδος λόγω της ανάδρασης, τόσες φορές αυξάνεται η συχνότητα μέχρι την οποία το κέρδος παραμένει σχεδόν σταθερό. Ο ολοκληρωτής (Integrator) είναι ένα κύκλωμα βαθυπερατού φίλτρου. Ολοκληρώνει και αντιστρέφει το σήμα εισόδου κατά το διάστημα ορισμένου χρόνου σύμφωνα με την σχέση: V out (t)= RC t V in dt +V out ( t=0) 0 Στην παρακάτω εικόνα είναι το κύκλωμα του ιδανικού ολοκληρωτή. Όμως, λαμβάνοντας υπόψη τις ατέλειες του τελεστικού ενισχυτή πρέπει να υπάρχει είτε μία αντίσταση είτε ένας διακόπτης που να κλείνει περιοδικά, παράλληλα στον πυκνωτή. Επομένως πρέπει να εξασφαλιστεί ότι για t=0 το V out (t)=0, δηλαδή ο πυκνωτής να είναι αφόρτιστος. 8

23 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Η τάση εκτροπής εισόδου είναι η διαφορά δυναμικού που πρέπει να υπάρχει ανάμεσα στις δύο εισόδους του τελεστικού ενισχυτή έτσι ώστε η έξοδός του να είναι 0. Στον ιδανικό τελεστικό ενισχυτή όταν η τάση ανάμεσα στις δύο εισόδους είναι 0 τότε και η έξοδος είναι 0. Όμως στην πραγματικότητα, εμφανίζεται μία συνεχής τάση εξόδου και αν διαιρεθεί με το κέρδος του ενισχυτή θα προκύψει ένα γνωστό μέγεθος, η τάση εκτροπής εισόδου. Επομένως, αν εφαρμοστεί μία αντίθετη τάση από αυτήν ανάμεσα στις εισόδους, η έξοδος θα είναι μηδέν. Ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένα ευαίσθητο εξάρτημα και καταστρέφεται εύκολα. Μερικές αιτίες είναι: Η λάθος σύνδεση των ακροδεκτών στο κύκλωμα. Το βραχυκύκλωμα των ακροδεκτών με το καλώδιο του πολυμέτρου κατά την μέτρηση. Ο στατικός ηλεκτρισμός. Οι λύσεις είναι αντίστοιχα: Η επιβεβαίωση του κυκλώματος πριν την τροφοδοσία του. Η χρήση επιπλέον μικρών καλωδίων για ευκολότερη μέτρηση με το πολύμετρο. Η γείωση του σώματος όπως αναγράφεται στους Γενικούς Κανόνες Εργαστηρίου. 9

24 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Όργανα Εργαστηρίου Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων Η πολυτρυπημένη πλακέτα χρησιμοποιείται για την προσωρινή κατασκευή των κυκλωμάτων. Έχει μικρές τρύπες στις οποίες συνδέονται οι ακροδέκτες των ηλεκτρονικών στοιχείων και τα καλώδια, χωρίς να χρειάζονται συγκόλληση και μπορούν να ξαναχρησιμοποιηθούν. Επίσης, είναι πολύ εύκολο να αλλάξουν οι συνδέσεις. Στην πλακέτα υπάρχουν δύο διαφορετικές βραχυκυκλωμένες περιοχές: Οι δύο πάνω και οι δύο κάτω σειρές της είναι βραχυκυκλωμένες οριζόντια για να συνδέεται η τάση τροφοδοσίας ή η γείωση. Όμως πρέπει να είναι γνωστό ότι μερικές πλακέτες δεν τις έχουν βραχυκυκλωμένες σε όλο το μήκος τους, αλλά χωρίζονται σε δύο ή περισσότερα τμήματα. Οι σειρές που βρίσκονται ενδιάμεσα είναι βραχυκυκλωμένες κάθετα για την σύνδεση μεταξύ των εξαρτημάτων, χωρίζονται από ένα αυλάκι όπου εκεί μπορούν να τοποθετηθούν τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται ενδεικτικά πως συνδέονται οι τρύπες μεταξύ τους. Παρακάτω δίνονται συμβουλές για την χρήση της πλακέτας: Χρησιμοποιούνται συγκεκριμένα χρώματα στα καλώδια για διαχωρισμό, κόκκινο για την τάση τροφοδοσίας, μαύρο για την γείωση και οποιοδήποτε άλλο χρώμα για την ένωση μεταξύ των ηλεκτρικών στοιχείων. 20

25 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Μετρούνται οι αντιστάσεις με το πολύμετρο πριν τοποθετηθούν στο κύκλωμα και σημειώνονται οι τιμές τους. Τοποθετούνται οι ακροδέκτες ενός εξαρτήματος σε διαφορετική κάθετη στήλη (στην περιοχή που αναφέρθηκε ότι είναι βραχυκυκλωμένη κάθετα). Τοποθετούνται οι τροφοδοσίες και η γείωση σε διαφορετικές οριζόντιες σειρές (στην περιοχή που αναφέρθηκε ότι είναι βραχυκυκλωμένη οριζόντια). Τοποθετούνται τα ηλεκτρικά στοιχεία σχετικά κοντά μεταξύ τους ανάλογα με το κύκλωμα. Πολύμετρο Το πολύμετρο είναι ένα ηλεκτρονικό όργανο που μετράει την διαφορά δυναμικού (V), το ηλεκτρικό ρεύμα (I) και την αντίσταση (Ω) ανάμεσα στους ακροδέκτες του. Επίσης, κάποιες άλλες χρήσιμες λειτουργίες του είναι να μετράει την συχνότητα του σήματος, την χωρητικότητα ενός πυκνωτή, ή ακόμα την πτώση τάσης μιας διόδου στην ορθή πόλωση. Έχει δύο καλώδια όπου το πρώτο, ο ακροδέκτης (+) πρέπει να συνδεθεί στην υποδοχή της επιθυμητής μέτρησης που αναγράφεται επάνω του. Το δεύτερο, ο ακροδέκτης (-) πρέπει να συνδεθεί στην υποδοχή COM. Συνήθως τα πολύμετρα έχουν έναν περιστρεφόμενο διακόπτη για να καθορίζεται το είδος της μέτρησης. Για τις πιο κοινές επιλογές ρυθμίζεται στην V για την τάση, στην A για το ηλεκτρικό ρεύμα και στην Ω για την αντίσταση. Ειδικότερα, για την τάση και το ηλεκτρικό ρεύμα ρυθμίζεται σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) ή συνεχές ρεύμα (DC) ανάλογα την περίπτωση. Για να μετρήσει τάση σε μία περιοχή του κυκλώματος ενώνεται το πολύμετρο παράλληλα με αυτή. Ο ακροδέκτης (+) πρέπει να είναι προς την θετική τάση ενώ, ο ακροδέκτης (-) προς την αρνητική. Σε περίπτωση που οι ακροδέκτες συνδεθούν αντίθετα, το πολύμετρο εμφανίζει αρνητική ένδειξη. 2

26 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Για να μετρήσει ηλεκτρικό ρεύμα σε μία περιοχή του κυκλώματος ενώνεται το πολύμετρο σε σειρά με αυτή. Ο ακροδέκτης (+) πρέπει να είναι προς την θετική τάση ενώ, ο ακροδέκτης (-) προς την αρνητική. Σε περίπτωση που οι ακροδέκτες συνδεθούν αντίθετα, το πολύμετρο εμφανίζει αρνητική ένδειξη. Για να μετρήσει αντίσταση ενώνονται τα δύο άκρα της με τα δύο καλώδια του πολυμέτρου όταν δεν είναι συνδεδεμένη με το κύκλωμα. Το πολύμετρο έχει διαφορετική αντίσταση εισόδου ανάλογα με την μέτρηση που έχει ρυθμιστεί. Όταν συνδέεται στο κύκλωμα παράλληλα έχει μεγάλη εσωτερική αντίσταση, ενώ όταν συνδέεται σε σειρά έχει μικρή εσωτερική αντίσταση. Αυτό συμβαίνει για να μην αλλάζει η συνολική αντίσταση του κυκλώματος στο τμήμα όπου γίνεται η μέτρηση έτσι ώστε να εμφανίζει ακριβέστερες πραγματικές τιμές. Για να δούμε αν δύο σημεία ενώνονται μεταξύ τους μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το πολύμετρο. Ένας τρόπος είναι με την ρύθμιση στην μέτρηση αντίστασης και την σύνδεση των καλωδίων στα δύο σημεία όπου: Αν εμφανίζει μία ένδειξη πολύ μικρής αντίστασης τότε τα δύο σημεία ενώνονται. 22

27 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Αν εμφανίζει μία ένδειξη άπειρης αντίστασης τότε τα δύο σημεία δεν ενώνονται. Για την χρήση του δίνονται οι παρακάτω οδηγίες:. Τα δύο καλώδια πρέπει να είναι στις ανάλογες υποδοχές. 2. Το ρυθμίζουμε στην επιθυμητή μέτρηση. 3. Ενεργοποιούμε το πολύμετρο αν δεν γίνει αυτό αυτόματα. 4. Ανάλογα το είδος της μέτρησης ενώνεται στο κύκλωμα με τον κατάλληλο τρόπο. 5. Απενεργοποιούμε το πολύμετρο όταν δεν το χρειαζόμαστε. Τροφοδοτικό Το τροφοδοτικό παρέχει την πηγή μιας σταθερής τάσης στο κύκλωμα. Κάποια τροφοδοτικά μπορούν να περιορίσουν το ρεύμα με αυτόματη μείωση της τάσης για την προστασία του κυκλώματος. Με βοήθεια της παρακάτω εικόνας περιγράφεται το μπροστινό μέρος ενός τροφοδοτικού που αποτελείται από δύο κανάλια: : Ο διακόπτης λειτουργίας 5: Ένδειξη του ηλεκτρικού ρεύματος 2: Ρύθμιση του ορίου του ηλεκτρικού ρεύματος 6: Ένδειξη της τάσης 3: Ρύθμιση της τάσης 8: Σύνδεση του ακροδέκτη (+) 7: Σύνδεση του ακροδέκτη (-) 4: Ρύθμιση της τάσης με λεπτομέρεια 23

28 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου 9: Σύνδεση του ακροδέκτη GND (την γη του δικτύου της Δ.Ε.Η.) : Προειδοποιητικό φωτάκι όταν περιορίζει το ρεύμα 0: Διακόπτης επιλογής λειτουργίας 2: Προειδοποιητικό φωτάκι όταν περιορίζει την τάση Για την λειτουργία του τροφοδοτικού εκτελούμε τα εξής:. Το ενεργοποιούμε. 2. Ελέγχουμε τη λειτουργία να είναι στο IND/SER (ανεξάρτητη λειτουργία), αν υπάρχει. 3. Ρυθμίζουμε το όριο του ηλεκτρικού ρεύματος στο ελάχιστο, αν υπάρχει. 4. Επιλέγουμε την επιθυμητή τιμή της τάσης τροφοδοσίας. 5. Συνδέουμε τα καλώδια στις κατάλληλες υποδοχές του και μετά στη πλακέτα. 6. Αν περιορίζει το ηλεκτρικό ρεύμα τότε αυξάνουμε αργά τον συγκεκριμένο περιστρεφόμενο διακόπτη. 7. Για οποιαδήποτε αλλαγή στο κύκλωμα, απενεργοποιούμε προσωρινά το τροφοδοτικό, γίνονται οι αλλαγές και το ξανά ενεργοποιούμε. 8. Όταν τελειώσουμε την εργασία, το απενεργοποιούμε και αποσυνδέουμε τα καλώδια. Γεννήτρια Συχνοτήτων Η γεννήτρια συχνοτήτων είναι μία συσκευή που τροφοδοτεί με τάση το κύκλωμα υπό την μορφή ημιτονικών, τριγωνικών ή τετραγωνικών σημάτων και μπορεί να μεταβάλλει την συχνότητα και το πλάτος τους. Με την παρακάτω εικόνα δείχνονται οι κυματομορφές που μπορεί να παράγει μια τυπική γεννήτρια συχνοτήτων. 24

29 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Το ομοαξονικό καλώδιο της εξόδου του που συνδέεται με το κύκλωμα έχει δύο ακροδέκτες. Ο ένας ακροδέκτης τροφοδοτεί με τάση το σημείο του κυκλώματος που ενώνεται με τον εσωτερικό αγωγό του καλωδίου, ενώ ο άλλος πρέπει να βρίσκεται στην γείωση του κυκλώματος γιατί ενώνεται με τον εξωτερικό αγωγό του καλωδίου και το μεταλλικό περίβλημα της γεννήτριας που είναι συνδεδεμένο με τη γη του δικτύου της ΔΕΗ. Παρακάτω φαίνονται οι ακροδέκτες ενός τυπικού καλωδίου: Με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας περιγράφονται τα τυπικά κουμπιά μιας γεννήτριας συχνοτήτων: 25

30 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου : Ο διακόπτης λειτουργίας 5: Ρύθμιση είδους κυματομορφής 2: Ρύθμιση συχνότητας κυματομορφής 6: Ρύθμιση μετατόπισης κυματομορφής (OFFSET) 3: Οθόνη ένδειξης συχνότητας και παραμέτρων 7: Ρύθμιση πλάτους κυματομορφής 8: Έξοδος του σήματος 4: Ρύθμιση εύρους συχνοτήτων Αν η γεννήτρια έχει μία ρύθμιση μετατόπισης κυματομορφής (OFFSET), τότε μπορεί να τροφοδοτήσει την κυματομορφή με μία σταθερή τάση που την μετατοπίζει προς τα θετικά ή αρνητικά. Ένα παράδειγμα αυτής της ρύθμισης φαίνεται παρακάτω: Για την λειτουργία της γεννήτριας συχνοτήτων εκτελούμε τα εξής:. Την ενεργοποιούμε. 2. Ρυθμίζουμε το είδος της κυματομορφής, αν υποστηρίζεται. 3. Ρυθμίζουμε την συχνότητα. 4. Ρυθμίζουμε το πλάτος της κυματομορφής. 5. Ρυθμίζουμε την μετατόπιση της κυματομορφής αν υπάρχει και απαιτείται. 6. Συνδέουμε πρώτα την έξοδο της συσκευής με τον παλμογράφο για επιβεβαίωση. 7. Αποσυνδέουμε την έξοδο από τον παλμογράφο και την συνδέουμε με το κύκλωμα. 8. Για οποιαδήποτε αλλαγή στο κύκλωμα, την απενεργοποιούμε προσωρινά, γίνονται οι αλλαγές και την ξανά ενεργοποιούμε. 9. Όταν τελειώσουμε την εργασία, απενεργοποιούμε την γεννήτρια κυματομορφών και αποσυνδέουμε τα καλώδια. 26

31 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Παλμογράφος O παλμογράφος χρησιμοποιείται για την παρατήρηση της μορφής των ηλεκτρικών σημάτων του κυκλώματος σε σχέση με τον χρόνο. Συμπεριφέρεται δηλαδή σαν ένα βολτόμετρο με την πρόσθετη δυνατότητα να εμφανίζει πως αλλάζει η τάση με τον χρόνο. Με την βοήθεια του πλέγματος στην οθόνη μπορούμε να πάρουμε μετρήσεις για την τάση και την περίοδο μίας κυματομορφής, αλλά και την σύγκριση δύο κυματομορφών. Υπάρχουν δύο τύποι παλμογράφων ο αναλογικός και ο ψηφιακός. Σημαντικές διαφορές είναι ότι ο ψηφιακός παλμογράφος μπορεί να υπολογίσει τα χαρακτηριστικά ενός σήματος αυτόματα, να συνδεθεί με υπολογιστή όπου μεταφέρει τα δεδομένα και εκτελεί επιπλέον υπολογισμούς. Επιπρόσθετα, με το κουμπί AUTO μπορεί να διαμορφώσει αυτόματα την εμφάνιση όλων των σημάτων για να προβάλλονται στην οθόνη του κατάλληλα, αλλά αυτό δεν είναι πάντοτε επιθυμητό. Το ομοαξονικό καλώδιο της εισόδου του που συνδέεται με το κύκλωμα έχει δύο ακροδέκτες και μετράει την διαφορά τάσης μεταξύ του σημείου του κυκλώματος και της γείωσης. Πιο συγκεκριμένα, ο ένας ακροδέκτης λαμβάνει την τάση του σημείου του κυκλώματος που ενώνεται με τον εσωτερικό αγωγό του καλωδίου, ενώ ο άλλος πρέπει να βρίσκεται στην γείωση του κυκλώματος γιατί ενώνεται με τον εξωτερικό αγωγό του καλωδίου και το μεταλλικό περίβλημα του παλμογράφου που είναι συνδεδεμένο με τη γη του δικτύου της ΔΕΗ. Παρακάτω φαίνεται ένα τυπικό καλώδιο: 27

32 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Επάνω στον έναν ακροδέκτη του καλωδίου που λαμβάνει την τάση, υπάρχει ένας διακόπτης που ρυθμίζει την εμφάνιση του σήματος σε κανονική μορφή (x) ή πολλαπλασιασμένο επί 0 (x0). Εάν χρειάζεται να ρυθμιστεί το σήμα στα x0 τότε θα πρέπει να προσαρμοστεί η ανάλογη ρύθμιση στον παλμογράφο. Στα πειράματα δεν θα χρησιμοποιηθεί να πολλαπλασιαστεί το σήμα και θα πρέπει να ελέγχεται αν ο διακόπτης είναι στην επιλογή x για να εμφανίζεται το σήμα στην οθόνη του παλμογράφου. Παρακάτω περιγράφονται χρησιμοποιούνται: τα βασικά κουμπιά του παλμογράφου που Επιλογή Περιγραφή Power Ο διακόπτης λειτουργίας. Intensity Μεταβάλλει την ένταση της δέσμης πάνω στην οθόνη. Focus Ελέγχει την ευκρίνεια της δέσμης στην οθόνη. Trace Rotation Περιστρέφει το σήμα σε σχέση με την οριζόντια γραμμή της οθόνης. X-Position Μεταφέρει οριζόντια την κυματομορφή. Y-Position Μεταφέρει κάθετα την κυματομορφή. Διακόπτης εισόδου AC-GND-DC Η επιλογή DC είναι για να παρατηρούμε συνεχή και εναλλασσόμενα σήματα. Η επιλογή AC είναι για να παρατηρούμε μόνο εναλλασσόμενα σήματα. Η επιλογή GND δείχνει τη στάθμη του μηδενός. Διακόπτης TRIGGER AUTO-NORM mode LEVEL-SLOPE SOURCE mode Με τον ρυθμιστή αυτόν κανονίζουμε να παραμείνει ακίνητη η κυματομορφή στην οθόνη. Η επιλογή AUTO εξασφαλίζει ότι θα υπάρχει σήμα ακόμα και αν αυτό είναι μηδενικό. Το NORM εμφανίζει το σήμα μόνο αν περνάει από μία τιμή που καθορίζεται από το κουμπί LEVEL. Ο διακόπτης LEVEL μεταβάλλει την τάση από τον οποίο διαλέγουμε ένα σταθερό σημείο της κυματομορφής. Το SLOPE ρυθμίζει την θετική ή αρνητική κλίση του σήματος. Με το SOURCE mode επιλέγεται το σήμα από το οποίο ρυθμίζεται το TRIGGER. Διακόπτης καναλιών Εμφανίζει το σήμα του καναλιού ή 2, και τα δύο ταυτόχρονα, CH-CH2-DUAL-ADD-INV την πρόσθεση τους ή την αντιστροφή του ενός αντίστοιχα. Διακόπτης Volts/Div Προσδιορίζει την τάση που θα αντιστοιχεί ανά τετραγωνάκι της οθόνης του παλμογράφου. Διακόπτης Time/Div Προσδιορίζει τον χρόνο που θα αντιστοιχεί ανά τετραγωνάκι της οθόνης του παλμογράφου. Υποδοχές καλωδίων CH-CH2 Συνδέονται τα καλώδια εισόδου για τα κανάλια ή 2. 28

33 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Όταν πρέπει να παρατηρηθεί μία διαφορά δυναμικού σε δύο σημεία του κυκλώματος που ούτε το ένα ούτε το άλλο είναι συνδεδεμένο στη γείωση, χρησιμοποιείται η παρακάτω σύνδεση: Τοποθετείται το κανάλι στο ένα σημείο και το κανάλι 2 στο άλλο. Στο κανάλι 2 αντιστρέφεται το σήμα με το κουμπί INV, δηλαδή πολλαπλασιάζεται με -. Στην συνέχεια, αθροίζονται τα σήματα με το κουμπί ADD. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την διαφορά των δύο καναλιών (CH - CH2) ή την διαφορά δυναμικού (V -V2) των δύο σημείων. Πρέπει να υπάρχει η γνώση για πως υπολογίζονται τα βασικά χαρακτηριστικά ενός σήματος από την οθόνη ανεξαρτήτως αν είναι αναλογικός ή ψηφιακός παλμογράφος, αυτά είναι: Η τάση, που την βρίσκουμε μετρώντας τα κάθετα κουτάκια της οθόνης από το GND της κυματομορφής μέχρι το επιθυμητό σημείο (θετικό ή αρνητικό) και τα πολλαπλασιάζουμε με την ένδειξη του διακόπτη Volts/Div. Η περίοδος, που την βρίσκουμε μετρώντας τα οριζόντια κουτάκια της οθόνης για μία περίοδο του σήματος και έπειτα πολλαπλασιάζεται με την ένδειξη του διακόπτη Time/Div. Για την λειτουργία του παλμογράφου εκτελούμε τα εξής:. Ενεργοποιούμε τον παλμογράφο. 2. Ρυθμίζουμε τον διακόπτη εισόδου σε GND. 3. Αν η γραμμή στην οθόνη δεν φαίνεται στο κέντρο, ελέγχουμε την ένταση, την ευκρίνεια και την τοποθεσία της, με τα κουμπιά Intensity, Focus, Trace Rotation, XPosition και Y-Position. 4. Ρυθμίζουμε τον διακόπτη εισόδου σε AC ή DC ανάλογα τις ανάγκες τις άσκησης. 5. Επιλέγουμε τον διακόπτη Trigger στην επιλογή AUTO ή NORM ανάλογα τις ανάγκες της άσκησης (συνήθως AUTO) και το TRIGGER LEVEL αρχικά στο Συνδέουμε τις επιθυμητές εισόδους και ρυθμίζουμε κατάλληλα τον διακόπτη καναλιών. 7. Ρυθμίζουμε τους διακόπτες Volts/Div και Time/Div αλλά και το TRIGGER LEVEL (αν χρειάζεται). 8. Όταν τελειώσουμε απενεργοποιούμε. την εργασία, 29 αποσυνδέουμε τα καλώδια και τον

34 Μέρος Πρώτο: Σύμβολα Κυκλωμάτων Σύμβολα Κυκλωμάτων Παροχής Ενέργειας Γείωση Συνεχής τάση (Χρήση τροφοδοτικού) Εναλλασσόμενη τάση (Χρήση γεννήτριας συχνοτήτων) Ηλεκτρονικά Στοιχεία Αντίσταση Μεταβλητή αντίσταση 30

35 Μέρος Πρώτο: Σύμβολα Κυκλωμάτων Ποτενσιόμετρο Πυκνωτής Πολωμένος πυκνωτής Πηνίο Μετασχηματιστής Δίοδος Δίοδος Zener Δίοδος LED Διπολικό τρανζίστορ N-P-N 3

36 Μέρος Πρώτο: Σύμβολα Κυκλωμάτων Διπολικό τρανζίστορ P-N-P Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου N-Channel Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου P-Channel Τελεστικός ενισχυτής Ψηφιακές Πύλες AND OR NOT NOR 32

37 Μέρος Πρώτο: Σύμβολα Κυκλωμάτων NAND Όργανα Εργαστηρίου Βολτόμετρο Αμπερόμετρο Παλμογράφος 33

38 Μέρος Πρώτο: Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Ασφάλεια εργαστηρίου Το πρώτο που πρέπει να διασφαλιστεί είναι η σωματική ακεραιότητα, η ασφάλεια των οργάνων αλλά και η προστασία των ηλεκτρονικών στοιχείων. Παρακάτω δίνονται κανόνες για την αποφυγή των ατυχημάτων: Να έχετε καθαρό τον πάγκο εργασίας και να υπάρχουν μόνο τα απαραίτητα αντικείμενα. Να ελέγχετε σε τακτά χρονικά διαστήματα αν οι συσκευές και τα καλώδια τους είναι σε καλή κατάσταση. Να εκτελείτε μόνο τις ενέργειες που αναγράφονται στις οδηγίες του κάθε πειράματος και αυτές που ζητάει ο καθηγητής σας. Οι τάσεις και τα ρεύματα που θα χρησιμοποιηθούν είναι ακίνδυνα, όμως μία διαρροή ρεύματος μπορεί να δημιουργήσει δυσάρεστες παρενέργειες. Δηλαδή, ένας απότομος σπασμός που προήλθε από μικρή ηλεκτροπληξία, μπορεί να οδηγήσει κάποιο μέλος του σώματός μας σε μεγαλύτερο ατύχημα. Να κρατάτε το κύκλωμα με το ένα χέρι όταν αυτό βρίσκεται υπό τάση. Το άλλο χέρι προσπαθήστε να το έχετε από πίσω σας ή στη τσέπη σας. Αν και τα δύο χέρια είναι σε επαφή με το κύκλωμα ή το ένα χέρι είναι σε επαφή με το κύκλωμα και το άλλο χέρι είναι σε επαφή με κάποιο μεταλλικό σημείο (πχ. το σασί ενός οργάνου), το οποίο σχεδόν σίγουρα είναι γειωμένο, τότε δημιουργείται ένας αγώγιμος δρόμος για το ρεύμα, ο οποίος περνάει από το στήθος σας, όπου είναι η καρδιά και τα πνευμόνια. Οι πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας μπορούν να διατηρήσουν το φορτίο στους οπλισμούς τους (και άρα την διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα άκρα τους) για πολλές ώρες μετά την αφαίρεσή τους από ένα κύκλωμα. Για αυτό μην ακουμπάτε τους ακροδέκτες ή αποφορτίστε τους πλήρως, βραχυκυκλώνοντας τα άκρα τους με την βοήθεια ενός ηλεκτρικά μονωμένου κατσαβιδιού ή ενός καλωδίου για λίγα δευτερόλεπτα. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα επηρεάζονται εύκολα από τον στατικό ηλεκτρισμό. Το σώμα μας αναπτύσσει και χάνει στατικό ηλεκτρισμό από διάφορες δραστηριότητες, πολλές φορές χωρίς να το κατανοήσουμε ή μόνο με ένα μικρό σπινθήρα. Αν ακουμπήσουμε κάποια ευαίσθητα στοιχεία με τα χέρια μας πολύ πιθανόν να καταστραφούν εσωτερικά. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος χρησιμοποιούνται ειδικά βραχιόλια που συνδέονται με την γη του δικτύου της ΔΕΗ, ή μπορείτε να ακουμπάτε το εξωτερικό μεταλλικό περίβλημα του συνδετήρα εισόδου ενός παλμογράφου για λίγα δευτερόλεπτα ανά τακτά χρονικά διαστήματα. 34

39 Μέρος Πρώτο: Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Διαδικασία κατασκευής κυκλωμάτων Παρακάτω δίνεται η διαδικασία κατά την οποία πρέπει να ακολουθηθεί όταν ζητηθεί να κατασκευαστεί ένα κύκλωμα:. Παίρνετε ότι χρειάζεται για την κατασκευή του κυκλώματος. 2. Κατασκευάζετε το κύκλωμα στην πλακέτα με την βοήθεια των χρήσιμων συμβουλών από την θεωρία της πολυτρυπημένης πλακέτας. 3. Ρυθμίζετε τα όργανα εργαστηρίου που απαιτούνται σύμφωνα με τις οδηγίες των προηγούμενων κεφαλαίων. 4. Όταν ολοκληρώσετε το πείραμα, επαναφέρετε ότι χρησιμοποιήσατε στη θέση του. Αποσφαλμάτωση κυκλωμάτων Πολλές φορές τα κυκλώματα δεν φτιάχνονται σωστά από την πρώτη φορά, για αυτό το λόγο πρέπει να γνωρίζονται οι τρόποι επίλυσής τους. Ακολουθείστε τα παρακάτω βήματα μέχρι να βρείτε την επίλυσή του προβλήματος:. Σιγουρευτείτε ότι κατέχετε τις απαραίτητες γνώσεις της κάθε εργαστηριακής άσκησης. 2. Επαναλάβετε για επιβεβαίωση τα βήματα της διαδικασίας κατασκευής κυκλωμάτων. 3. Με το κύκλωμα χωρίς τάση, ελέγξτε με το πολύμετρο κάθε σύνδεση μεταξύ των εξαρτημάτων. Αν βρείτε σε κάποιο σημείο ότι δεν υπάρχει ένωση, αντικαταστήστε την συνδεσμολογία. 4. Με το κύκλωμα υπό τάση, ελέγξτε με το πολύμετρο την διαφορά δυναμικού των τροφοδοσιών, καθώς και των στοιχείων στην είσοδο και στην έξοδο τους σε σχέση με την γείωση. Αν η μέτρηση είναι μία λανθασμένη τιμή με βάση τους θεωρητικούς υπολογισμούς, αντικαταστήστε την τροφοδοσία ή το εξάρτημα. 35

40 Μέρος Πρώτο: Συνολικά Υλικά Συνολικά Υλικά Παρακάτω αναφέρεται μια λίστα με όλα τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα πειράματα. Ονομασία Αντιστάσεις Ποτενσιόμετρο Τιμή Ποσότητα 00Ω 2 200Ω 220Ω 470Ω 500Ω 680Ω ΚΩ.5ΚΩ.8ΚΩ 2ΚΩ 3.9ΚΩ 4.7ΚΩ 5.6ΚΩ 6.8ΚΩ 7.5ΚΩ 0ΚΩ 4 5ΚΩ 20ΚΩ 40ΚΩ 47ΚΩ 56ΚΩ 00ΚΩ 2 470ΚΩ ΜΩ 2 4.7ΜΩ 0ΜΩ 2 0ΚΩ 36

41 Μέρος Πρώτο: Συνολικά Υλικά Ονομασία Πυκνωτές Δίοδοι Τρανζίστορ Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Όργανα Εργαστηρίου Διάφορα Τιμή Ποσότητα 00nF 4 0nF nf 0μF μf Ν448 4 N5339b Δίοδος εκπομπής φωτός (LED) 2Ν3904 BS70 LF4 2 5N74HC04N MC4007BCP 74HC00N Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Πολύμετρο 2 Τροφοδοτικό 2 Γεννήτρια συχνοτήτων Παλμογράφος 2 Καλώδια για την πλακέτα Μικρό κατσαβίδι για το ποτενσιόμετρο 37 0

42 Μέρος Δεύτερο: Λίστα Πειραμάτων Πείραμα º - Eξοικείωση με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων I Σκοπός Ο σκοπός αυτής της άσκησης είναι η εξοικείωση με το τροφοδοτικό, το πολύμετρο και την κατασκευή κυκλωμάτων στη πλακέτα. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: 0ΚΩ x4, 00ΚΩ x2, ΜΩ x2, 0ΜΩ x2 Πολύμετρο Τροφοδοτικό Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Βήματα πειράματος. Επιβεβαιώστε με την χρήση του πολυμέτρου ότι οι έξοδοι + και του τροφοδοτικού δεν είναι συνδεδεμένοι στην γη του δικτύου της ΔΕΗ και εξηγήστε πως το κάνετε. 2. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα με τάση τροφοδοσίας +6 Volts και μετρήστε με το πολύμετρο τα σημεία A, B, C. Μετά αλλάξτε την τάση τροφοδοσίας σε -6 Volts και ξαναμετρήστε τα σημεία αυτά.

43 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα º - Eξοικείωση με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων I Vin A B C Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα με τις διάφορες τιμές των αντιστάσεων R από τον παρακάτω πίνακα και μετρήστε με το πολύμετρο το Vout. Καταγράψτε τα αποτελέσματα σας. Κύκλωμα Vout Με R=0KΩ Με R=00KΩ Με R=ΜΩ Με R=0ΜΩ 4. Υπολογίστε την αντίσταση εισόδου του πολυμέτρου από τα αποτελέσματα του 3ου βήματος. 5. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα, μετρήστε με το πολύμετρο το INORTON του κυκλώματος και επιβεβαιώστε την μέτρηση υπολογίζοντας το θεωρητικά. 6. Βρείτε την διαφορά μεταξύ Average Responding και True RMS του πολυμέτρου. 2

44 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 2º - Eξοικείωση με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων II Πείραμα 2º - Eξοικείωση με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων II Σκοπός Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι η εκμάθηση της χρήσης της γεννήτριας συχνοτήτων και του παλμογράφου. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Πυκνωτής Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Παλμογράφος Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντίσταση: 0ΚΩ Πολύμετρο Πυκνωτής: nf Γεννήτρια Συχνοτήτων Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Παλμογράφος Βήματα πειράματος. Επιβεβαιώστε με την χρήση του πολυμέτρου ότι το εξωτερικό μεταλλικό περίβλημα του συνδετήρα εισόδου του σήματος στον παλμογράφο συνδέεται με την γη του δικτύου της ΔΕΗ. 2. Κάνετε το ίδιο για το εξωτερικό περίβλημα της εξόδου της γεννήτριας κυματομορφών. 3. Περιγράψτε πως κάνατε τα βήματα και Συνδέστε την γεννήτρια κυματομορφών στην είσοδο του παλμογράφου και προσπαθήστε να πάρετε σήμα έχοντας την σκανδάλη (TRIGGER) του παλμογράφου στη θέση AUTO. Οι είσοδοι του παλμογράφου να είναι στην DC ρύθμιση. i. Καταγράψτε την κυματομορφή, την ρύθμιση time/div και την ρύθμιση Volt/div. ii. Πόσο πλάτος και πόση συχνότητα δίνει η μέτρηση του παλμογράφου. iii. Συμφωνούν οι μετρήσεις από τον παλμογράφο με τις ρυθμίσεις της γεννήτριας; 3

45 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 2º - Eξοικείωση με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων II 5. Αν η γεννήτρια κυματομορφών έχει ρυθμιστικό με την ένδειξη OFFSET πειράξτε το. Καταγράψτε πώς αλλάζει η μορφή που παίρνετε στον παλμογράφο. Βάλτε την είσοδο του παλμογράφου στη ρύθμιση AC. Τι παρατηρείτε και γιατί; 6. Βάλτε την σκανδάλη του παλμογράφου στη θέση NORM και αλλάξτε την ρύθμιση TRIGGER LEVEL μέχρι να εξαφανισθεί η κυματομορφή από την οθόνη του παλμογράφου. Τώρα αλλάξτε το πλάτος του σήματος που παράγει η γεννήτρια έτσι ώστε να εμφανιστεί πάλι η κυματομορφή στην οθόνη. Εξηγήστε γιατί συμβαίνει αυτό. 7. Βρείτε που αναγράφεται η αντίσταση εξόδου της γεννήτριας συχνοτήτων και καταγράψτε την. Περιγράψτε ένα κύκλωμα το οποίο αν το συνδέσετε στην γεννήτρια συχνοτήτων θα δώσει την μισή τάση από αυτήν που βγάζει η γεννήτρια όταν αυτό δεν είναι συνδεμένο. 8. Φτιάξτε το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βάζοντας R= 0KΩ και C= nf, με τάση εισόδου ένα ημίτονο πλάτους V και παίρνοντας την τάση εξόδου από τον παλμογράφο. Να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα για τις διαφορετικές συχνότητες της τάσης εισόδου. F (Hz) Vin (Volts) Vout (Volts) 4 20 log 0 ( V out )(db) V in

46 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 2º - Eξοικείωση με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων II 9. Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων φτιάξτε την παρακάτω γραφική παράσταση, λέγεται διάγραμμα Bode για το πλάτος. 5

47 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Δίοδος I Πείραμα 3º Δίοδος I Σκοπός Σκοπός του πειράματος είναι η κατανόηση των περιοχών λειτουργίας της διόδου. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Δίοδος Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση της διόδου στη πλακέτα με σωστή πολικότητα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: KΩ, 20ΚΩ Πολύμετρο x2 Δίοδος: Ν448 Τροφοδοτικό Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων 6

48 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Δίοδος I Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. 2. Αλλάζοντας την τάση τροφοδοσίας συμπληρώσετε τον πίνακα από τις αντίστοιχες ενδείξεις του αμπερομέτρου και του βολτομέτρου. Vin (V) I (ma) Vout (V) Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Δώστε Vin=5V και στη θέση της αντίστασης R βάλτε τις αντιστάσεις ΚΩ ή 20ΚΩ και δείτε το ρεύμα από το αμπερόμετρο για κάθε περίπτωση. Βλέπετε ότι εδώ διατηρώντας σταθερή την τάση του τροφοδοτικού (5V), αλλάζετε το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα, μεταβάλλοντας μία αντίσταση. 7

49 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Δίοδος I 4. Για τις παρακάτω τιμές του ρεύματος πάρτε τις αντίστοιχες τιμές της τάσης εξόδου αλλάζοντας κατάλληλα κάθε φορά την τάση τροφοδοσίας. Vin (V) I (ma) 0,05 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, Vout (mv)

50 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Δίοδος I 5. Αλλάξτε την πολικότητα της διόδου στο κύκλωμα. Δώστε διάφορες τιμές της τάσης τροφοδοσίας και σημειώστε τις ενδείξεις του αμπερομέτρου και του βολτομέτρου. Παρατηρείστε τι συμβαίνει στο κύκλωμα. Vin (V) I (ma) Vout (V) 6. Οργανώστε τα αποτελέσματα των πινάκων για την αντίσταση και την δίοδο σε μία γραφική παράσταση όπου το Ι θα είναι στον y άξονα και το Vout στον x άξονα και συγκρίνετε τις χαρακτηριστικές καμπύλες των δύο στοιχείων. 9

51 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 4º Δίοδος II Πείραμα 4º Δίοδος II Σκοπός Ο σκοπός του πειράματος είναι η κατανόηση της λειτουργίας της διόδου ως περιοριστή τάσης. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Δίοδος Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Τροφοδοτικό, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Παλμογράφος Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση της διόδου στη πλακέτα με σωστή πολικότητα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντίσταση: KΩ Πολύμετρο Δίοδοι: Ν448 x2 Τροφοδοτικό Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Γεννήτρια συχνοτήτων Παλμογράφος 0

52 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 4º Δίοδος II Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Θέστε το Vin ένα ημιτονικό σήμα από την γεννήτρια συχνοτήτων το οποίο να έχει πλάτος άνω των 3V. 2. Καταγράψτε την κυματομορφή που λαμβάνετε και εξηγήστε την μορφή της. 3. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Οδηγείστε το κύκλωμα με ημιτονοειδή, τριγωνική και τετραγωνική κυματομορφή, με διάφορα πλάτη. 4. Καταγράψτε τις κυματομορφές που βλέπετε στη έξοδο και εξηγήστε γιατί εμφανίζονται τέτοιες.

53 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 5º Δίοδος III Πείραμα 5º Δίοδος III Σκοπός Ο στόχος του πειράματος είναι η κατανόηση της λειτουργίας κυκλωμάτων ανόρθωσης με διόδους και η χρήση του πυκνωτή για εξομάλυνση της τάσης εξόδου του ανορθωτή. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Πυκνωτής, Δίοδος Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Παλμογράφος Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση της διόδου στη πλακέτα με σωστή πολικότητα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντίσταση: KΩ Πολύμετρο Πυκνωτές: μf, 0μF Γεννήτρια συχνοτήτων Δίοδοι: Ν448 x4 Παλμογράφος (με 2 κανάλια) Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων 2

54 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 5º Δίοδος III Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα, όπου V in =5 ημ (2 π 00 t) (ρυθμίστε κατάλληλα την γεννήτρια συχνοτήτων) και συνδέστε στο ένα κανάλι του παλμογράφου το Vin και στο άλλο το Vout. 2. Καταγράψτε τις κυματομορφές των Vin και Vout. Εξηγήστε για ποιο λόγο η έξοδος έχει τέτοια μορφή. 3. Προσθέστε παράλληλα στην αντίσταση έναν πυκνωτή, όπως φαίνεται παρακάτω, δοκιμάζοντας τις τιμές μf και 0μF. Καταγράψτε τι παρατηρείτε και δώστε εξήγηση. 4. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα δίνοντας V in =0 sin (2 π 00 t). 5. Καταγράψτε από τον παλμογράφο τις κυματομορφές της Vin και της Vout. Εξηγήστε την μορφή της εξόδου σε σχέση με την είσοδο. 6. Προσθέστε στο κύκλωμα έναν πυκνωτή 0μF παράλληλα με την αντίσταση. Καταγράψτε από τον παλμογράφο την κυματομορφή της Vout. 3

55 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 6º Δίοδος IV Πείραμα 6º Δίοδος IV Σκοπός Σε αυτήν τη εργασία θα κατανοηθεί η χρήση της διόδου Zener ως σταθεροποιητή τάσης. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Δίοδος, Δίοδος Zener Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση της διόδου στη πλακέτα με σωστή πολικότητα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: KΩ, 0KΩ, 00KΩ, ΜΩ Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Δίοδος Zener: Ν5339b Πολύμετρο Τροφοδοτικό 4

56 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 6º Δίοδος IV Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το ακόλουθο κύκλωμα και για κάθε R από τον παρακάτω πίνακα βρείτε το Vout. R Vout KΩ 0 KΩ 00 KΩ ΜΩ 2. Με την αντίσταση ΜΩ αλλάξτε την Vin μεταξύ 4 ως 6 Volts. Τι παρατηρείτε για το Vout; 3. Με την αντίσταση KΩ αλλάξτε την Vin μεταξύ 4 ως 6 Volts. Τι παρατηρείτε για το Vout; 4. Εξηγήστε την συμπεριφορά της διόδου Zener. 5

57 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 7º Διπολικό τρανζίστορ I Πείραμα 7º Διπολικό τρανζίστορ I Σκοπός Ο σκοπός του πειράματος είναι να κατανοηθεί το απλό μοντέλο λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Διπολικό τρανζίστορ Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση του διπολικού τρανζίστορ στην πλακέτα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: KΩ, 4.7ΚΩ, 47ΚΩ, 00KΩ, 470ΚΩ, ΜΩ, 4.7ΜΩ Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Τρανζίστορ: 2N3904 Πολύμετρο x2 Τροφοδοτικό (με δύο κανάλια) 6

58 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 7º Διπολικό τρανζίστορ I Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. 2. Δώστε στην R τις τιμές του παρακάτω πίνακα και βρείτε τα ακόλουθα για κάθε περίπτωση: i. Το Ic από το αμπερόμετρο. ii. Το Ιb μετρώντας την πτώση τάσης επάνω σε μία από τις αντιστάσεις που συνδέονται σε σειρά με την βάση του τρανζίστορ και χρησιμοποιώντας τον τύπο: I b=v R /R iii. Το β από την εξίσωση του απλού μοντέλου: Ι c = β Ι b iv. To VBE και το VBC v. Την περιοχή λειτουργίας του τρανζίστορ. R Ic (ma) Ιb (ma) β VBE 47ΚΩ 00KΩ 470ΚΩ ΜΩ 4.7ΜΩ 7 VBC Περιοχή λειτουργίας τρανζίστορ

59 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 8º Διπολικό τρανζίστορ II Πείραμα 8º Διπολικό τρανζίστορ II Σκοπός Ο στόχος του πειράματος είναι να κατανοηθεί η χρήση του διπολικού τρανζίστορ ως καταβόθρα ρεύματος, όταν αυτό λειτουργεί στην ενεργό περιοχή. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Ποτενσιόμετρο, Διπολικό τρανζίστορ Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση του ποτενσιομέτρου στην πλακέτα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Η τοποθέτηση του διπολικού τρανζίστορ στην πλακέτα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. 8

60 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 8º Διπολικό τρανζίστορ II Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: 470Ω,.5KΩ Πολύμετρο x2 Ποτενσιόμετρο: 0ΚΩ Τροφοδοτικό (με δύο κανάλια) Τρανζίστορ: 2N3904 Μικρό κατσαβίδι Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα, αφού σιγουρευτείτε με το πολύμετρο ότι η αντίσταση μεταξύ των συνδεμένων στο κύκλωμα ακροδεκτών του ποτενσιομέτρου έχει τιμή κάτω από 0.KΩ. Επίσης βρείτε την φορά με την οποία πρέπει να γυρίζετε την ρυθμιστική βίδα του ποτενσιομέτρου, έτσι ώστε να αυξάνεται η αντίσταση μεταξύ των συνδεμένων στο κύκλωμα ακροδεκτών του. 2. Μετρήστε και καταγράψτε το VBE και το VBC. Σε ποια περιοχή λειτουργεί το τρανζίστορ; Υπολογίστε το β του τρανζίστορ. 3. Αυξήστε αργά την αντίσταση μεταξύ των συνδεμένων στο κύκλωμα ακροδεκτών του ποτενσιομέτρου και για κάθε στροφή της ρυθμιστικής βίδας καταγράψτε την τιμή του ρεύματος συλλέκτη που διαβάζετε από το αμπερόμετρο. 4. Από κάποια τιμή αντίστασης και πάνω το ρεύμα του συλλέκτη αρχίζει να μειώνεται. Μόλις παρατηρήσετε την μείωση μετρήστε και καταγράψτε τις τάσεις VBE και VBC. Σε ποια περιοχή λειτουργεί το τρανζίστορ; Υπολογίστε το β του τρανζίστορ. 5. Αυξήστε και άλλο την τιμή της αντίστασης και καταγράψτε το ρεύμα του συλλέκτη και την VBC. Σε ποια περιοχή λειτουργεί το τρανζίστορ; Υπολογίστε το β του τρανζίστορ. 9

61 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 9º Διπολικό τρανζίστορ III Πείραμα 9º Διπολικό τρανζίστορ III Σκοπός Σκοπός του πειράματος είναι να κατανοηθεί η λειτουργία του διπολικού τρανζίστορ ως ενισχυτή. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Πυκνωτής, Διπολικό τρανζίστορ Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Τροφοδοτικό, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Παλμογράφος Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση του διπολικού τρανζίστορ στην πλακέτα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: 680Ω, 5.6ΚΩ, 6.8ΚΩ, 56ΚΩ Πολύμετρο Πυκνωτής: 00nF Γεννήτρια συχνοτήτων Τροφοδοτικό Τρανζίστορ: 2N3904 Παλμογράφος Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων 20

62 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 9º Διπολικό τρανζίστορ III Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Οδηγείστε το με ένα ημίτονο από την γεννήτρια συχνοτήτων το οποίο να έχει πλάτος το πολύ 0.V και συχνότητα 0KHz. 2. Υπολογίστε το κέρδος του ενισχυτή θεωρητικά από τον τύπο: ΔV out R = C ΔV in RE 3. Βρείτε το κέρδος του ενισχυτή πειραματικά με τον παλμογράφο: i. Καταγράψτε τις κυματομορφές Vin και Vout και μετρείστε το πλάτος τους. ii. Παρατηρείστε ότι το Vout μεταβάλλεται γύρω από μια στάθμη τάσης μεγαλύτερη από το 0 σε αντίθεση με το Vin. Για να μπορέσετε να δείτε μαζί τις κυματομορφές πρέπει να θέσετε το κανάλι του παλμογράφου με το οποίο παρατηρείτε το Vout σε AC σύνδεση (εξηγείστε τον λόγο). 4. Η φάση του σήματος εξόδου διαφέρει από αυτή του σήματος εισόδου; Κατά πόσο; 5. Αυξήστε το πλάτος του σήματος εισόδου μέχρι η έξοδος να πάψει να είναι ημιτονική. Σημειώστε το πλάτος αυτό και εξηγήστε τι συμβαίνει στο κύκλωμα. 2

63 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 0º Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου I Πείραμα 0º Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου I Σκοπός Ο σκοπός της άσκησης είναι να κατανοηθεί η σχέση ρεύματος τάσης στο MOSFET τρανζίστορ. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση του τρανζίστορ επίδρασης πεδίου στην πλακέτα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντίσταση: 0ΚΩ Πολύμετρο x2 Τρανζίστορ: BS70 Τροφοδοτικό (με δύο κανάλια) 22

64 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 0º Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου I Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. 2. Θα βρείτε την τάση κατωφλίου VT που θα χρησιμοποιηθεί σε επόμενο βήμα. Για να το κάνετε αυτό, αυξήστε αργά την τάση VDC μέχρι το αμπερόμετρο να δείχνει ma, μετρήστε την τάση VGS. Τότε VGS = VT. Καταγράψτε την τάση κατωφλίου. 3. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. 4. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα παίρνοντας μετρήσεις ρεύματος ID από το αμπερόμετρο. Το VGS ρυθμίζεται από το τροφοδοτικό VDC και το VDS από το τροφοδοτικό VDC2. Κάθε φορά ελέγξτε αυτές τις τάσεις με το πολύμετρο. 23

65 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 0º Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου I VDS VGS = VT + 0.2V VGS = VT + 0.4V VGS = VT + 0.6V 0 50mV 00mV 200mV 400mV ID (ma) 600mV 800mV V.5V 5. Βάλτε στην ίδια γραφική παράσταση τις καμπύλες ID - VDS για κάθε διαφορετικό VGS. 6. Όταν το τρανζίστορ άγει (ένδειξη ρεύματος στο αμπερόμετρο) διακόψτε την επαφή της πηγής VDC με την πύλη G του τρανζίστορ και αποκαταστήστε την επαφή συνδέοντας τα δύο σημεία με τα χέρια σας. Τι παρατηρείτε και γιατί; 24

66 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα º Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου II Πείραμα º Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου II Σκοπός Ο στόχος του πειράματος είναι να κατανοηθεί η χρήση του MOSFET τρανζίστορ ως διακόπτη. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Τροφοδοτικό, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Παλμογράφος Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση του τρανζίστορ επίδρασης πεδίου στην πλακέτα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: 00Ω x2, 0ΚΩ Πολύμετρο Τρανζίστορ: BS70 Τροφοδοτικό Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Γεννήτρια συχνοτήτων Παλμογράφος (με δύο κανάλια) 25

67 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα º Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου II Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Θέστε το Vin να είναι τετραγωνικός παλμός από 0V έως 3V. Αυξήστε την συχνότητα πάνω από τα 0KHz. 2. Παρατηρείστε και καταγράψτε τις κυματομορφές VG και Vout. 3. Εξηγήστε την λειτουργία του κυκλώματος. 26

68 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 2º Ψηφιακά κυκλώματα I Πείραμα 2º Ψηφιακά κυκλώματα I Σκοπός Σκοπός του πειράματος είναι να κατανοηθεί η χρήση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με πύλες NOT. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Πυκνωτής, Ψηφιακά κυκλώματα Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Τροφοδοτικό, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Παλμογράφος Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Το ολοκληρωμένο 5N74HC04N έχει 6 πύλες NOT κατασκευασμένες με τεχνολογία CMOS. Το τσιπάκι MC4007BCP έχει 3 ζεύγη NMOS-PMOS τρανζίστορ που λειτουργούν ως διακόπτες. Στις παρακάτω εικόνες φαίνεται το εσωτερικό του κύκλωμα και η σύνδεση για την κατασκευή μιας πύλης NOT. Τα NMOS είναι ON (δηλαδή άγουν) όταν η πύλη τους είναι σε υψηλή τάση (5 Volt ή ). Τα PMOS είναι ON όταν η πύλη τους είναι σε χαμηλή τάση (0 Volts ή 0 ). 27

69 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 2º Ψηφιακά κυκλώματα I Η τοποθέτηση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στην πλακέτα γίνεται ανάμεσα στην κενή περιοχή των σειρών που είναι βραχυκυκλωμένες κάθετα και η αρίθμηση των ακροδεκτών ξεκινάει από μία κουκίδα όπως φαίνεται στην εικόνα. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Πυκνωτής: 00nF Πολύμετρο Ολοκληρωμένα κυκλώματα: 5N74HC04N, MC4007BCP Τροφοδοτικό Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Παλμογράφος (με δύο κανάλια) Γεννήτρια συχνοτήτων Βήματα πειράματος. Για να κατασκευάστε το κύκλωμα ακολουθήστε τα επόμενα βήματα: i. Τοποθετήστε το τσιπάκι 5N74HC04N στην πλακέτα. ii. Συνδέστε στον ακροδέκτη (στα αγγλικά pin) Vcc (4) στην τροφοδοσία 5V και το pin GND (7) στο (-) του τροφοδοτικού. Το λογικό θα αντιστοιχεί σε DC στάθμη 5V και το λογικό 0 θα αντιστοιχεί σε DC στάθμη 0V. iii. Συνδέστε ανάμεσα στα pin Vcc και GND έναν πυκνωτή 00nF. iv. Συνδέστε τις εισόδους (3), (5), (9), () και (3) στο GND. 2. Φτιάξτε με την γεννήτρια κυματομορφών έναν τετραγωνικό παλμό που να πηγαίνει από τα 0V στα 5V συχνότητας KHz, με την βοήθεια του παλμογράφου. 3. Συνδέστε στην είσοδο του αντιστροφέα με pin () το σήμα της γεννήτριας, και την γείωση της στο GND. 4. Δείτε με τον παλμογράφο την είσοδο pin () και την έξοδο pin (2) του αντιστροφέα. Καταγράψτε τις κυματομορφές. 28

70 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 2º Ψηφιακά κυκλώματα I 5. Μετρήστε την τάση στις εξόδους των αντιστροφέων, των οποίων οι είσοδοι είναι γειωμένες και επιβεβαιώστε ότι δείχνουν 5V. 6. Αλλάξτε μία από τις γειωμένες εισόδους στα 5V και δείτε την αντίστοιχη έξοδο. 7. Κατασκευάστε άλλο κύκλωμα ακολουθώντας τα επόμενα βήματα: i. Τοποθετήστε το τσιπάκι MC4007BCP στην πλακέτα. ii. Συνδέστε το pin Vcc (4) στην τροφοδοσία 5V και το pin GND (7) στα 0V. iii. Συνδέστε ανάμεσα στα Vcc και GND έναν πυκνωτή 00nF. iv. Βραχυκυκλώστε το pin (2) με το Vcc και το pin (4) με το GND. v. Βραχυκυκλώστε το pin () με το pin (5). vi. Φτιάξτε με την γεννήτρια κυματομορφών έναν τετραγωνικό παλμό που να πηγαίνει από τα 0V στα 5V συχνότητας KHz, με την βοήθεια του παλμογράφου και συνδέστε τον στο pin (3). 8. Καταγράψτε τις κυματομορφές εισόδου από το pin (3) και εξόδου από το pin () ή (5). 9. Επιβεβαιώνεται ότι το κύκλωμα λειτουργεί ως αντιστροφέας; 0. Εξηγήστε πως λειτουργεί το NMOS-PMOS τρανζίστορ ως αντιστροφέας. 29

71 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Ψηφιακά κυκλώματα II Πείραμα 3º Ψηφιακά κυκλώματα II Σκοπός Ο σκοπός αυτού του πειράματος είναι να κατανοηθεί η χρήση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με πύλες NAND. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Πυκνωτής, Δίοδος εκπομπής φωτός, Ψηφιακά κυκλώματα Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Τροφοδοτικό, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Παλμογράφος Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Το ολοκληρωμένο 74HC00N έχει 4 πύλες NAND κατασκευασμένες με τεχνολογία CMOS. Το τσιπάκι MC4007BCP έχει 3 ζεύγη NMOS-PMOS τρανζίστορ που λειτουργούν ως διακόπτες. Στις παρακάτω εικόνες φαίνεται το εσωτερικό του κύκλωμα και η σύνδεση για την κατασκευή μιας πύλης NAND. Τα NMOS είναι ON (δηλαδή άγουν) όταν η πύλη τους είναι σε υψηλή τάση (5 Volt ή ). Τα PMOS είναι ON όταν η πύλη τους είναι σε χαμηλή τάση (0 Volts ή 0 ). 30

72 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Ψηφιακά κυκλώματα II Η τοποθέτηση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στην πλακέτα γίνεται ανάμεσα στην κενή περιοχή των σειρών που είναι βραχυκυκλωμένες κάθετα και η αρίθμηση των ακροδεκτών ξεκινάει από μία κουκίδα όπως φαίνεται στην εικόνα. Για να τοποθετείται σωστά μία δίοδος εκπομπής φωτός (LED) στο κύκλωμα έχει τους δύο ακροδέκτες της με άνισο μήκος. Η άνοδος της διόδου έχει μεγαλύτερο μήκος από την κάθοδο. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: 00Ω, 220Ω Πυκνωτής: 00nF Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Δίοδος εκπομπής φωτός Πολύμετρο Ολοκληρωμένα κυκλώματα: 74HC00N, MC4007BCP Τροφοδοτικό Γεννήτρια συχνοτήτων Παλμογράφος (με δύο κανάλια) 3

73 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Ψηφιακά κυκλώματα II Βήματα πειράματος. Για να κατασκευάστε το κύκλωμα ακολουθήστε τα επόμενα βήματα: i. Τοποθετήστε το τσιπάκι 74HC00N στην πλακέτα. ii. Συνδέστε στον ακροδέκτη (στα αγγλικά pin) Vcc (4) στην τροφοδοσία 5V και το pin GND (7) στο (-) του τροφοδοτικού. Το λογικό θα αντιστοιχεί σε DC στάθμη 5V και το λογικό 0 θα αντιστοιχεί σε DC στάθμη 0V. iii. Συνδέστε ανάμεσα στα Vcc (4) και GND (7) έναν πυκνωτή 00nF. 2. Επιβεβαιώστε τον πίνακα αληθείας της πύλης NAND βάζοντας το κάθε ένα ζευγάρι εισόδων σε έναν συνδυασμό από 0 και και μετρώντας την τάση που βγάζει η αντίστοιχη έξοδος. Καταγράψτε τα αποτελέσματα σας. Pin εισόδου Pin εξόδου Συνδυασμός Vout 3. Παρατηρείστε ότι οι συνδυασμοί και ή 0 και 0 του πίνακα αληθείας μιας πύλης NAND είναι ίδιες με τον πίνακα αληθείας της πύλης NOT. Σχεδιάστε μία πύλη NOT χρησιμοποιώντας μία πύλη NAND. 4. Υλοποιήστε το προηγούμενο βήμα στο κύκλωμα και βάλτε στην είσοδο της πύλης NOT έναν τετραγωνικό παλμό και παρατηρείστε την έξοδο. Καταγράψτε τις κυματομορφές εισόδου και εξόδου. 5. Σε τι διαφέρει ο πίνακας αληθείας της AND από αυτόν της NAND; Σχεδιάστε μία πύλη AND χρησιμοποιώντας πύλες NAND. 6. Με βάση την παραπάνω παρατήρηση να κατασκευάστε μία πύλη AND χρησιμοποιώντας πύλες NAND και να επιβεβαιώσετε την λειτουργία της συνδέοντας στην έξοδό της ένα LED (δίοδος εκπομπής φωτός), όπως φαίνεται στο κύκλωμα. Α Β Υ Αντίδραση LED

74 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Ψηφιακά κυκλώματα II Αν κάνετε τα παραπάνω τότε θα έχετε φτιάξει ένα κύκλωμα πού όταν οι δύο είσοδοι είναι, θα ανάβει ένα LED. 7. Κατασκευάστε άλλο κύκλωμα ακολουθώντας τα επόμενα βήματα: i. Τοποθετήστε το τσιπάκι MC4007BCP στην πλακέτα. ii. Συνδέστε το pin Vcc (4) στην τροφοδοσία 5V και το pin GND (7) στα 0V. iii. Συνδέστε ανάμεσα στα Vcc και GND έναν πυκνωτή 00nF. iv. Βραχυκυκλώστε το pin () με το Vcc. v. Βραχυκυκλώστε το pin (8) με το pin (9). vi. Βραχυκυκλώστε το pin (2) με το pin (3) και συνδέστε τα με την άνοδο ενός LED μέσω μίας μικρής αντίστασης των 00Ω βάζοντας την κάθοδο της στα 0V. vii. Βάλτε στις εισόδους pin Α (6) και Β (0) τους συνδυασμούς του παρακάτω πίνακα και καταγράψτε στην έξοδο από το pin Υ (2) ή (3) τον πίνακα αληθείας NAND. Συμφωνεί με ότι περιμένετε; Α Β Υ Αντίδραση LED Εξηγήστε πως λειτουργεί το συγκεκριμένο κύκλωμα ως πύλη NAND. 33

75 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 4º Τελεστικοί Ενισχυτές I Πείραμα 4º Τελεστικοί Ενισχυτές I Σκοπός Σκοπός του πειράματος είναι να κατανοηθεί ότι το κέρδος του τελεστικού ενισχυτή χωρίς ανάδραση είναι πολύ μεγάλο. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Πυκνωτής, Τελεστικός ενισχυτής Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στην πλακέτα γίνεται ανάμεσα στην κενή περιοχή των σειρών που είναι βραχυκυκλωμένες κάθετα και η αρίθμηση των ακροδεκτών ξεκινάει από μία κουκίδα όπως φαίνεται στην εικόνα. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: 0ΚΩ x2 Πυκνωτές: 00nF x2 Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Τελεστικός ενισχυτής: LF4 Πολύμετρο Τροφοδοτικό (με δύο κανάλια) 34

76 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 4º Τελεστικοί Ενισχυτές I Βήματα πειράματος. Πάρτε δύο αντιστάσεις των 0ΚΩ και μετρήστε τις με το πολύμετρο. 2. Φτιάξτε τον διαιρέτη τάσης με τις αντιστάσεις 0ΚΩ, τροφοδοτήστε τις με ±5V. 3. Μετρήστε και καταγράψτε την τάση Vout (Την τάση στο κοινό σημείο των δύο αντιστάσεων) παίρνοντας ως αναφορά τη γη του κυκλώματος. Αυτή πρέπει να είναι πολύ κοντά στα 0 V. 4. Κλείστε την τροφοδοσία συνδέστε τον τελεστικό ενισχυτή και ξανανοίξτε την τροφοδοσία. 5. Ποια είναι η τάση Vout στην έξοδο του κυκλώματος παίρνοντας ως αναφορά τη γη του κυκλώματος; 6. Τι παρατηρείτε για τις δύο τάσεις που μετρήσατε στο βήμα 3 και 5; Εξηγήστε. 35

77 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 5º Τελεστικοί Ενισχυτές II Πείραμα 5º Τελεστικοί Ενισχυτές II Σκοπός Ο σκοπός αυτού του πειράματος είναι να κατανοηθεί η λειτουργία του τελεστικού ενισχυτή με αρνητική ανάδραση. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Ποτενσιόμετρο, Πυκνωτής, Τελεστικός ενισχυτής Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Τροφοδοτικό, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Παλμογράφος Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση του ποτενσιομέτρου στην πλακέτα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Η τοποθέτηση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στην πλακέτα γίνεται ανάμεσα στην κενή περιοχή των σειρών που είναι βραχυκυκλωμένες κάθετα και η αρίθμηση των ακροδεκτών ξεκινάει από μία κουκίδα όπως φαίνεται στην εικόνα. 36

78 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 5º Τελεστικοί Ενισχυτές II Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: 2ΚΩ, 0ΚΩ Πολύμετρο Ποτενσιόμετρο: 0ΚΩ Τροφοδοτικό (με δύο κανάλια) Πυκνωτές: 00nF x2 Γεννήτρια συχνοτήτων Τελεστικός ενισχυτής: LF4 Παλμογράφος (με δύο κανάλια) Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Μικρό κατσαβίδι Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. 2. Μετρήστε την τάση Vin παίρνοντας ως αναφορά τη γη του κυκλώματος. 3. Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο έτσι ώστε η τάση αυτή να είναι κοντά στα 0V. 4. Αυξήστε την τάση αυτή προς τις θετικές τιμές. Πάρτε 4 τιμές των Vin(=V+), Vout και Vμέχρι να φτάσετε στην 5η τιμή που να στέλνει την έξοδο στα 3.5V. Οργανώστε τα αποτελέσματα σας στο παρακάτω πίνακα. 5. Επαναλάβετε το 4ο βήμα για αρνητικές τιμές της τάσης Vin μέχρι την τιμή που η έξοδος πάει στα -3.5V. Οργανώστε τα αποτελέσματα σας στο ίδιο πίνακα. 6. Συμπληρώστε τον πίνακα: 37

79 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 5º Τελεστικοί Ενισχυτές II Vin V- Vout Vout / Vin V+ - V- 7. Κάντε την γραφική παράσταση f(vin) = Vout. Πόσο είναι το κέρδος; Επιβεβαιώστε την V out R =(+ 2 ) σχέση: V in R 8. Φτιάξτε στην γεννήτρια συχνοτήτων ένα ημίτονο συχνότητας 5KHz με μηδενική DC συνιστώσα (το offset της γεννήτριας να είναι 0) και διαλέξτε πλάτος ίσο με μία τιμή εισόδου που χρησιμοποιήσατε στον προηγούμενο πίνακα με την βοήθεια του παλμογράφου. 9. Βγάλτε το ποτενσιόμετρο από το κύκλωμα και βάλτε ως είσοδο το σήμα της γεννήτριας συχνοτήτων που ρυθμίσατε στο βήμα Καταγράψτε τις κυματομορφές εισόδου και εξόδου ταυτόχρονα. Επιβεβαιώνεται το κέρδος που έχετε βρει προηγουμένως; Υπάρχει διαφορά φάσης ανάμεσα στην έξοδο και την είσοδο; 38

80 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 5º Τελεστικοί Ενισχυτές II. Φτιάξτε τώρα το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος. Οδηγείστε το κύκλωμα με ένα ημίτονο συχνότητας 5KHz με μηδενική DC συνιστώσα (το offset της γεννήτριας να είναι 0). 2. Μεταβάλλετε το πλάτος του σήματος εισόδου και μετρήστε το πλάτος του σήματος εξόδου. Οργανώστε τις μετρήσεις σας στον παρακάτω πίνακα. Vin V- Vout Vout / Vin V+ - V- 3. Καταγράψτε τις κυματομορφές εισόδου και εξόδου ταυτόχρονα για μία τιμή του πλάτους του σήματος εισόδου. 4. Κάντε την γραφική παράσταση του κέρδους f(vin) = Vout επιβεβαιώστε την σχέση: R Vout = 2 Vin R 5. Αλλάξτε το σήμα εισόδου και κάντε το τριγωνικό παλμό. Παρατηρείστε την έξοδο καθώς αυξάνετε το πλάτος της εισόδου. Καταγράψτε την έξοδο και την είσοδο για το πλάτος της εισόδου για το οποίο η έξοδος παύει να είναι τριγωνική. 39

81 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 6º Τελεστικοί Ενισχυτές III Πείραμα 6º Τελεστικοί Ενισχυτές III Σκοπός Ο στόχος του πειράματος είναι να κατανοηθεί ο το κύκλωμα του απομονωτή με τελεστικό ενισχυτή. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Πυκνωτής, Τελεστικός ενισχυτής Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στην πλακέτα γίνεται ανάμεσα στην κενή περιοχή των σειρών που είναι βραχυκυκλωμένες κάθετα και η αρίθμηση των ακροδεκτών ξεκινάει από μία κουκίδα όπως φαίνεται στην εικόνα. Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: 500Ω, 0ΚΩ x2 Πυκνωτές: 00nF x2 Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Τελεστικός ενισχυτής: LF4 Πολύμετρο Τροφοδοτικό (με δύο κανάλια) 40

82 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 6º Τελεστικοί Ενισχυτές III Βήματα πειράματος. Φτιάξτε το παρακάτω κύκλωμα και μετρείστε με το πολύμετρο την έξοδο του. 2. Συνδέστε στην έξοδο του προηγούμενου κυκλώματος μία αντίσταση, όπως φαίνεται παρακάτω και μετρείστε ξανά το Vout. 3. Βρείτε το ισοδύναμο κύκλωμα Thevenin του πρώτου κυκλώματος και επιβεβαιώστε ότι αν, στο ισοδύναμο Thevenin που βρήκατε, συνδέσετε την αντίσταση 500Ω, θα πάρετε την τάση που μετρήσατε στο βήμα Φτιάξτε το κύκλωμα του απομονωτή: Παρεμβάλετε ανάμεσα στην έξοδο του πρώτου κυκλώματος και στην αντίσταση 500Ω τον τελεστικό ενισχυτή, όπως φαίνεται παρακάτω. Μετρήστε την τάση Vout. 4

83 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 6º Τελεστικοί Ενισχυτές III 5. Τι παρατηρείτε από τα αποτελέσματα; Εξηγήστε την λειτουργία του κυκλώματος του απομονωτή με τελεστικό ενισχυτή. 42

84 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 7º Τελεστικοί Ενισχυτές IV Πείραμα 7º Τελεστικοί Ενισχυτές IV Σκοπός Σκοπός του πειράματος είναι να κατανοηθεί η χρήση του τελεστικού ενισχυτή στο κύκλωμα του αθροιστή με βάρη και να φτιαχτεί ένας μετατροπέας ψηφιακού σήματος 4-bit σε αναλογικό. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να είναι γνωστά τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Πυκνωτής, Τελεστικός ενισχυτής Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Για να υπολογιστεί η θεωρητική έξοδος του αθροιστή με βάρη στο βήμα 3 χρησιμοποιήστε τον τύπο: V out = ( Rf R R R V + f V 2+ f V 3 + f V 4 ) R R2 R3 R4 Η τοποθέτηση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στην πλακέτα γίνεται ανάμεσα στην κενή περιοχή των σειρών που είναι βραχυκυκλωμένες κάθετα και η αρίθμηση των ακροδεκτών ξεκινάει από μία κουκίδα όπως φαίνεται στην εικόνα. 43

85 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 7º Τελεστικοί Ενισχυτές IV Απαραίτητα υλικά Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: ΚΩ,.8ΚΩ, 3.9ΚΩ, 7.5ΚΩ, 5ΚΩ, 20ΚΩ, 40ΚΩ Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Πυκνωτές: 00nF x4 Πολύμετρο Τελεστικοί ενισχυτές: LF4 x2 Τροφοδοτικό (με δύο κανάλια) Βήματα πειράματος. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. 2. Πρέπει να φτιάξετε μία πηγή τάσης 5V για να μπορέσετε να κάνετε το επόμενο βήμα. Η πηγή τάσης θα πρέπει να μην επηρεάζεται από το επόμενο κύκλωμα που συνδέεται σε αυτήν. Οπότε το φυσιολογικό βήμα είναι να φτιάξετε έναν απομονωτή και να παίρνετε από την έξοδο του τα 5V όποτε αυτό απαιτείται. 3. Μετρήστε και καταγράψτε την τάση εξόδου για τους συνδυασμούς τάσεων V, V2, V3 και V4, που βλέπετε στον παρακάτω πίνακα. Για την ψηφιακή κατάσταση 0 χρησιμοποιήστε τάση 0V και για την κατάσταση χρησιμοποιήστε τάση 5V. 44

86 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 7º Τελεστικοί Ενισχυτές IV Ψηφιακή είσοδος Vout V V2 V3 V Πειραματική Θεωρητική 4. Φτιάξτε την γραφική παράσταση Vout = f(συνδυασμός ψηφιακών λέξεων). 45

87 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 8º Απόκριση Συχνότητας Πείραμα 8º Απόκριση Συχνότητας Σκοπός Σκοπός του πειράματος είναι η κατανόηση της χρήσης των διαγραμμάτων Bode για την εξαγωγή της συμπεριφοράς των κυκλωμάτων σε συνάρτηση της συχνότητας του σήματος εισόδου τους. Απαραίτητες γνώσεις Όταν βάλουμε στην είσοδο ενός κυκλώματος μία ημιτονοειδή κυματομορφή τότε στην έξοδο του θα πάρουμε επίσης μία κυματομορφή με την ίδια συχνότητα, αλλά με διαφορετικό πλάτος και με μία διαφορά φάσης. Το κύκλωμα του σχήματος είναι ένα βαθυπερατό φίλτρο στο οποίο αν έχουμε είσοδο V in=v o cos(ωt) η έξοδος είναι Vout= A( jω) V o cos(ωt+ φ) όπου: Το A ( jω)= ZC = A ( jω) = /2 και το φ= tan ( ωrc) R + Z C + jωrc (+ω R C ) Για το επόμενο κύκλωμα ισχύουν τα ίδια αλλά: Το A ( jω)= Z R//C = Z L + Z R//C A ( jω) = 2 L ω ω 2 /2 + ωj+cl (ωj)2 (( 2 ) 2 +( 2ζ ) ) R ω ωn n και το ω ω n φ= tan ( ). Όπου 2 ζ = L και 2 =CL. Το ζ λέγεται συντελεστής απόσβεσης και ω ωn R ωn ( ) 2 ωn το ωn λέγεται συχνότητα συντονισμού. 2ζ 46

88 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 8º Απόκριση Συχνότητας Τα διαγράμματα Bode είναι γραφικές παραστάσεις. Υπάρχει το διάγραμμα Bode του πλάτους το 20 log ( A ( jω) ) σε σχέση με το log( ω) ή με άλλα λόγια δίνει το λόγο του πλάτους εξόδου προς το πλάτος εισόδου σε decibel ως συνάρτηση της συχνότητας ω. Επίσης υπάρχει το διάγραμμα Bode της φάσης που δίνει φ(ω) ως συνάρτηση της συχνότητας. Την συχνότητα ω την βάζουμε σε λογαριθμική κλίμακα. Για το πρώτο κύκλωμα το γενικό διάγραμμα Bode χωρίς τιμές είναι: Ενώ για το δεύτερο είναι: 47

89 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 8º Απόκριση Συχνότητας Απαραίτητα υλικά Σε αυτό το πείραμα δεν θα χρησιμοποιήσετε υλικά εργαστηρίου, αλλά θα είναι ένα πείραμα προσομοίωσης στον υπολογιστή με την χρήση του δωρεάν προγράμματος LTspice της Linear Technology. Μπορείτε να το βρείτε στην ιστοσελίδα για να το εγκαταστήσετε. Βήματα πειράματος. Ανοίξτε με το LTspice ένα καινούριο αρχείο. 2. Φτιάξτε το κύκλωμα της εικόνας. 48

90 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 8º Απόκριση Συχνότητας 3. Πατήστε δεξί κλικ στο V και ρυθμίστε το σε AC., κάντε το ίδιο για τα R και C βάζοντας οποιαδήποτε τιμή θέλετε. 4. Από το μενού επιλέξτε Edit Spice Analysis. Στο καινούριο παράθυρο επιλέξτε την καρτέλα AC Analysis όπου ρυθμίζετε τα ακόλουθα: 49

91 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 8º Απόκριση Συχνότητας 5. Από το μενού επιλέξτε Simulate Run και επιλέξτε το καλώδιο του κυκλώματος ανάμεσα στην αντίσταση και τον πυκνωτή για να εμφανιστεί η γραφική παράσταση. 6. Πατήστε δεξί κλικ στο V(n002) και επιλέξτε το Attached Cursor σε st για να βλέπετε τα σημεία της γραφικής παράστασης. 7. Επιβεβαιώστε με το LTspice τα παρακάτω: i. Για ω= /RC (f= /2πRC) το 20 log( A ( jω) ) = -3dB και φ(ω)= -45ο. ii. Για ω= 0/RC (f= 0/2πRC) το 20 log( A ( jω) ) = -20 db και φ(ω)= -84,2ο. iii. Για ω= 00/RC και (f= 00/2πRC) το 20 log ( A ( jω) ) = -40 db και φ(ω)= -89,4ο. iv. Για ω= 0./RC και (f= 0./2πRC) το 20 log( A ( jω) ) 0 db και φ(ω)= -5,7ο. 8. Από το μενού επιλέξτε Edit Delete και διαγράψτε το.ac dec Πατήστε δεξί κλικ στο V και ρυθμίστε το όπως φαίνεται στην εικόνα με F την συχνότητα του βήματος 7i. 50